在機械制造中，刀具材料對刀具切削性能和加工效率與質量，具有決定性的作用。計算機集成先進加工系統的出現，各種難加工材料在不同行業的應用，高速切削和高效切削以及精密加工、綠色制造的不斷向前發展，對刀具特別是對刀具材料提出了全新的更高的要求。

　　自20世紀中期以後，工程材料中不斷出現和應用難加工金屬和非金屬材料。原用的刀具，如高速鋼、硬質合金刀具等難以勝任其加工要求，於是超硬刀具材料便應運而生。

　　最早的超硬刀具材料只有金剛石和立方氮化硼（PCBN）兩種。人類從使用天然金剛石開始，後來研制成功人造金剛石和立方氮化硼，這兩種材料雖然已得到廣泛應用，但因其價格很高，成型和加工都頗為困難，加上金剛石刀具不能加工黑色金屬，應用推廣受到限制。

　　新型刀具材料CNx

　　近年來出現了一種新型刀具材料氮化碳。美國物理學家A.M.Lin和M.L.Cohen用分子工程理論，設計出新型超硬無機化合物CNx。根據體彈模量的計算，這種化合物可以達到接近甚至超過氮化硼和金剛石的硬度。

　　利用de反應磁控濺射工藝，國內外的物理和材料科技人員能在不同的基體材料上沉積出CNx超硬薄膜。這種薄膜具有高硬度、高耐磨、低摩擦和強導熱等性質，而且不與黑色金屬產生化學反應。

　　1.CNx薄膜的機械性能

　　國內物理學家在高速鋼刀具和硬質合金刀具上沉積CNx薄膜，其表面顯微硬度經測量為4000?7200HV?？梢娖溆捕纫堰_到立方氮化硼的硬度，但稍低於人造金剛石的硬度。也有人曾用劃痕法測量過CNx薄膜涂層的附著力，驗證其達到了JB/T8365標準規定。

　　2.CNx表面涂層刀具的實驗

　　（1）CNx表面涂層高速鋼刀具的鉆削實驗

　　筆者用直徑Φ10.5mm的M2（W6Mo5Cr4V2）高速鋼麻花鉆，進行CNx表面涂層，涂層厚度3?5μm。用涂層前後的相同鉆頭在38CrNi3MoVA（經過調質，硬度為36?40HRC）高強度鋼上鉆孔，孔深為12mm。

　　切削用量：進給量f=0.13mm/r，轉速n=600r/min，切削速度v=19.8m/min；不加切削液。這樣的工況下，每鉆一個孔約耗時9.6s，刀具磨損值VB在鉆頭最大直徑處的後刀面上測量。同時，為了進行不同涂層的對比，筆者又用常規的PVD工藝制成的TiN表面涂層的M2高速鋼麻花鉆，與上述麻花鉆一并進行鉆孔實驗。鉆孔實驗結果如圖1所示。

　　由圖1可見，如用0.3mm後刀面磨損量為磨鈍標準，則CNx涂層鉆頭可鉆48個孔，約為未涂層鉆頭的8倍、TiN涂層鉆頭的2倍?？梢?，CNx涂層對提高耐磨性的效果非常顯著。TiN涂層鉆頭的鉆孔數為24個。未涂層M2鉆頭的鉆孔數為6個。

　?。?）CNx表面涂層硬質合金刀片的車削實驗

　　①筆者用K30硬質合金刀片為基體，涂覆CNx薄膜，車削T12A淬硬工具鋼（硬度61HRC）。將其與未涂層的K30刀片進行對比，參加對比的還有立方氮化硼（PCBN）車刀。

　　切削用量：切削深度ap=0.5mm，進給量f=0.1mm/r，切削速度v=60m/min。

　　刀具幾何參數：前角γo=0°，後角αo=8°，主偏角κr=90°，刃傾角λS=-4°，刀尖圓孤半徑rε=0.8mm。

　　三種刀具（片）的磨損曲線見圖2。可見，未涂層的K30硬質合金刀片車削淬硬工具鋼，僅僅3min時，後刀面磨損量VB即達0.3mm。CNx涂層刀片當VB達0.3mm時，切削時間達15min。

　　而PCBN車刀切削20min，VB方為0.2mm。預計PCBN車刀的使用壽命可超過30min。

　?、谟钟肞20硬質合金刀片為基體，涂覆CNx薄膜，車削60Si2Mn高強度鋼（調質，硬度40HRC）。與未涂層的P20刀片進行對比。參加對比的還有用CVD工藝制成的TiC表面涂層的硬質合金刀片，稱為YBo2。

　　切削用量：切削深度ap=1mm，進給量f=0.15mm/r，切削速度v=150m/min。

　　刀具幾何參數：前角γo=4°，後角αo=8°,主偏角κr=45°，刃傾角λs=-4°，刀尖圓孤半徑rε=0.8mm。

　　由圖3可見，取磨鈍標準為VB=0.3mm，未涂層P20刀片的切削時間僅約為10min；YBo2刀片的切削時間約為30min，是P20的3倍。CNx涂層刀片切削30min後，VB僅為0.15mm；估計VB達0.3mm時，切削時間可達40min。

　　分析與討論

　　從以上的實驗研究可以看出，CNx涂層刀具的硬度能達到PCBN的水平并接近於金剛石，切削效果顯著，其使用壽命大大高於未涂層的高速鋼刀具和硬質合金刀具，也高於TiN、TiC涂層刀具。且CNx與黑色金屬之間呈惰性，不起化學作用。同時，C和N資源豐富，不存在資源匱乏的問題。由此分析，CNx涂層刀具大有發展前途和應用前景。

　　但是，值得特別提請注意的是，鑒於CNx涂層刀具的基礎工作尚做得不夠，必須認真對待以下各方面：

　?。?）應實施CNx的機械、物理性能的全面測試工作，如密度、導熱系數、強度、彈性模量以及沖擊值的測試等等。

　?。?）高速鋼鉆頭經CNx涂層，取得了顯著的切削效果。且巿售的磨制鉆頭，即可用以涂層，不需另行精化。其它高速鋼刀具，如車刀、銑刀、絲錐、齒輪滾刀和插齒刀等，有待逐一涂覆CNx，進行實驗，以充分考察其切削效果。

　?。?）除了車刀以外，還應在其它硬質合金刀具（如銑刀，特別是整體硬質合金鉆頭和立銑刀等）上涂覆CNx，進行切削實驗。

　?。?）作為基體，有待研究各種硬質合金與CNx涂層之間的結合力，從而優選出最好的硬質合金基體材料。同時，還應研究CNx涂層硬質合金刀具的涂前處理。

　?。?）當今，各種新的涂層方法和涂層材料品種相繼出現，如TiAlN、TiCrN、Al2O3及其多層涂覆，也有待與CNx涂層刀具實施對比，進一步確定CNx涂層的使用價值。

　?。?）探討生成CNx厚膜的可能性。

　　總之，在做好CNx涂層刀具的基礎工作之後進行推廣應用，如果貪圖急功近利，則往往只能“欲速則不達”。