氮化碳超硬涂层技术的应用

武汉大学彭友贵教授

各位专家，各位领导：

我代表武汉大学氮化碳课题研究组和武大弘毅新材料公司向大会汇报。我今天汇报的题目是《氮化碳超涂层技术在金属切削领域中的应用》。

人类几千年来就知道世界上最硬的东西是钻石，也就是称之为金刚钻。那么一直不懈努力在寻找有没有比金刚石更硬的东西存在呢？过去为了获得一种自然界并不存在的物质都是用炒菜式的方法，在实践中去增减某些元素，通过千百次尝试，甚至是更长时间才得到满意的结果。

今天随着科学技术的高速发展，特别是量子理论和大型计算机的问世，就彻底改变了传统研究材料的方式。可以预先从理论上进行计算机模拟，然后有目的的在实践中去寻找，我们现在研究的并已经实现了产业化的氮化碳超硬涂层材料，在自然界并不存在，就是用这种方法计算的结果。199O年美国加州大学的M·L·Cohen等科学家应用固体物理、量子化学理论和计算机技术，从原子和分子水平上人工设计了氮化碳化合物晶体结构，计算了它的各种性能，发现他的体变模量接近或超过金刚石，由于物质的硬度与体模量成正比，这说明该物质有可能接近或超过金刚石硬度。这一结果在美国物理评论上一公布，引起世界各国材料科学家的关注，国际上掀起了研究和应用新型超硬材料的热潮，积极寻找制造的方法。1993年美国哈佛大学教授C·Niu等人用激光蒸发高纯碳和氮原子束喷注相结合，成功地获得了氮化碳晶体薄膜。但这种方法并不实用，①面积太小。②激光太昂贵。③晶体在合成时是自由生长的，其中也有软质相，这样得到的硬度并不高。于是我们分析这种直接合成方法不可取，独立提出：如果想在金属上表面得到大面积氮化碳晶体薄膜，就必须有一个适合氮化碳晶体成长的环境，就是强迫晶化理论和方法。这一想法，我们最初在管式炉试验中得以证实。由于这一结果，在国际权威杂志发表后得到国内外同行的认可和赞赏。并得到国家、省、市、学校科技部门的支持，并列为重点研究项目。④经过近10年的努力反复试验，从小试，中试到产业化，取得一些可喜的成果，成功申报了两项氮化碳超硬薄膜发明专利。在国内外包括国际权威杂志物理评论B，应用物理A等上发表论文50多篇，SCI统计国外引用50多次。1999年底，中试设备通过了省科委主持的专家鉴定，评定该技术具有国际先进水平，拥有广阔的市场前景。

为了促进该项成果快速转化为生产技术服务，于2000年，我们以专利技术为基础成立了武大弘毅新材料有限公司，并研制出世界上第一台工业化生产的氮化碳超硬涂层镀膜机和全套自动化生产线。

该机主要原理是在真空室的外壁上装有多个大面积的相互交替的多弧离子靶和非平衡磁控溅射高纯石墨靶。它们各自产生所需要的金属离子和碳原子，离子，在工件表面形成很强的等离子体区，工件在作行星式运行过程中，在其表面形成多层交替的氮化碳膜和氮化金属膜。

我们镀膜机与国内外同类型镀膜机相比，具有如下优点：

有的镀膜机器一般只镀单层或2-3层，可是我们的膜层厚度为3-5纳米内，是由近3千层交替组成，比单层具有更好的抗弯性和耐摩性。
国外现有技术相比，目前国外氮化碳超硬涂层技术应用还处于研发阶段，还末达到实用的地步。由于我们采用了金属过镀层和强迫晶化手段，使我们的结合强度和表面硬度都大大超过了国外的现有水平。
与当前国内外通用的镀膜刀具TiN,TiC,ZrN,等相比，它们的维氏硬度一般在15-30GPa之间，我们可以批量生产工件硬度为40-50GPa，最高到72GPa，超过国外报道的最高值64GPa水平。
本镀膜机是在传统的TiN镀膜机基础上进行改进，只要在传统的氮化钛（仿金镀）机器上加上我们专利技术和特殊工艺，就可以批量生产高质量的镀膜刀具，提高了产业化推广的优势。
生产费用与传统的生产氮化钛相比，成本差不多。而我们的使用寿命是TiN，ZrN的3倍。是未镀膜刀具的10倍，（以麻花钻为试件曾达到67.8倍满意效果）

由于氮化碳涂层薄膜具有良好的机械物理属性，以及超高的附着力，使我们的产品在国内较受欢迎，现已在中国人民解放军总装部3303厂，我国最大的汽车产业基地之一的东风汽车集团公司下属的22分厂，49分厂，柴油发动机厂，襄樊车桥厂，上海恒久实业，香港志诚国际集团等单位得到广泛的欢迎。

现在我们的产品除在刀具，模具方面发挥社会效益和经济效益，同时也在不断的开拓市场，在其他行业推广，如家电，纺织，军工，航空航天等，2002年，我们销售给香港志诚国际集团的镀膜机，是把镀层应用到电动理发推子上，他们的广告：比金刚石还硬的刀片；为航空航天部511所是镀的超硬耐摩层是应用在转轴上。

几年来，由于市场推广，跟踪服务不够，我们的产业做的还不够大。3年中，我们销售收入721.2万元，税金109.9万元，实现利润175.4万元。

现在我们武大弘毅新材料公司在武大科技园内购置土地35亩，新建了一期厂房，1500平方米的生产车间，两条全自动生产线，两台大型生产机，一台小型试验机。