涂層刀具材料研究現狀與發展思路

摘要：制造業的飛速發展對刀具材料的要求也越來越高，涂層技術實現了涂層材料的特殊優異性能，使刀具的使用壽命和切削性能等都得到了極大的提高。因此，涂層技術的應用領域正在日益擴大，在制造業中必將顯示更加重要的地位。本文介紹了刀具涂層材料的研究現狀，對其制備工藝及分類兩方面進行了綜述，并探討了涂層刀具材料的發展趨勢。

關鍵詞：納米涂層；物理氣相沉積；化學氣相沉積；超硬刀具

引 言

19世紀70年代，用于研究的簡單涂層設備開始出現；到20世紀70年代商品化的涂層設備供應于世；20世紀80年代涂層技術進入工業化大生產；21世紀初，涂層技術成為世人矚目的新技術。涂層技術是應市場需求發展起來的一種表面處理技術。近10年來，涂層技術在刀具行業的應用得到了快速普及，涂層刀具已成為切削加工不可或缺的主流刀具。與此同時，隨著切削技術向高速、高效、強力、干式的方向發展，刀具涂層技術成為了左右切削技術發展的主要因素。由于這項技術可使工、模具表面獲得優良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率及延長工、模具使用壽命，因此它已成為滿足現代機械加工高效率、高精度、高可靠性要求的關鍵技術之一，而且其應用領域正在迅速擴展。涂層發展正面臨前所未有的機遇。因此，對于刀具涂層及其性能的研究，并開發滿足不同加工條件的高性能刀具涂層，對促進制造業發展具有重要意義。

1.涂層刀具材料的制備及發展現狀

涂層刀具結合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優點，提高了刀具的耐磨性而不降低其韌性。涂層刀具通用性廣，加工范圍顯著擴大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經濟效益[1] 。涂層技術的發展已從當初單一的TiC、TiN涂層發展為TiC-Al2O3-TiN復合涂層和TiCN、TiAlN等多元復合涂層，涂層的性能有了很大的改善，使用范圍不斷擴大，涂層刀具的基體材料范圍也在擴大，高速鋼、硬質合金、陶瓷刀具都可以進行涂層。新的涂層工藝不斷出現，如生產上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD） 法如圖1和化學氣相沉積（CVD） 法如圖4。

1.1物理氣相沉積

圖1 物理氣相沉積（PVD）示意圖

PVD的涂層技術包括：

1）過濾陰極弧：過濾陰極電弧（FCA ）配有高效的電磁過濾系統，可將離子源產生的等離子體中的宏觀粒子、離子團過濾干凈，經過磁過濾后沉積粒子的離化率為100%，并且可以過濾掉大顆粒， 因此制備的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蝕性能好，與機體的結合力很強如圖2。

2）磁控濺射：在真空環境下，通過電壓和磁場的共同作用，以被離化的惰性氣體離子對靶材進行轟擊，致使靶材以離子、原子或分子的形式被彈出并沉積在基件上形成薄膜。根據使用的電離電源的不同，導體和非導體材料均可作為靶材被濺射如圖3。

3）離子束DLC：碳氫氣體在離子源中被離化成等離子體，在電磁場的共同作用下，離子源釋放出碳離子。離子束能量通過調整加在等離子體上的電壓來控制。碳氫離子束被引到基片上，沉積速度與離子電流密度成正比。星弧涂層的離子束源采用高電壓，因而離子能量更大，使得薄膜與基片結合力很好；離子電流更大，使得DLC膜的沉積速度更快。離子束技術的主要優點在于可沉積超薄及多層結構，工藝控制精度可達幾個埃，并可將工藝過程中的顆料污染所帶來的缺陷降至最小[2] 。

圖2 PVD電弧過程示意圖

圖3 PVD濺射過程示意圖

1.2化學氣相沉積

圖4 化學氣相沉積原理示意圖

PVD法起步晚、發展快、溫度低（約300～500℃），優點多[3]， 但涂層的均勻性不如CVD法，涂層與基體結合不太牢固，涂層硬度比較低，涂層優越性未得到充分體現，PVD法工藝要求比CVD法高，設備更復雜，涂層循環周期長[4] 。PVD與CVD工藝相比，前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2～5μm；后者的沉積溫度為900℃～1100℃，涂層厚度可達5～10μm，并且設備簡單，涂層均勻。與此同時，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度無影響；薄膜內部應力狀態為壓應力，更適于對硬質合金精密復雜刀具的涂層；PVD工藝對環境無不利影響，符合現代綠色制造的發展方向。PVD技術不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結合強度，涂層成分也由第一代的TiN發展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和Ta-C等多元復合涂層[5] 。

國外還用PVD/CVD相結合的技術，開發了復合的涂層工藝，稱為PACVD法（等離子體化學氣相沉積法）。即利用等離子體來促進化學反應，可把涂覆溫度降至400℃以下（涂覆溫度已可降至180℃～200℃），使硬質合金基體與涂層材料之間不會產生擴散、相變或交換反應，可保持刀片原有的韌性。據報道，這種方法對涂覆金剛石和立方氮化硼（CBN）超硬涂層特別有效。以及離子束濺射法[6] 和中能離子束輔助沉積法（IBAD）[7]等。

2.刀具涂層的分類

2.1硬質涂層

（1）TiAlN

TiAlN膜層化學穩定性好，具有高熱硬性、極佳抗氧化性、耐磨耗等特點，加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金時，比 TiN 涂層刀具提高壽命 3～4 倍。在高速干式切削的情況下，最好的 PVD 涂層是 TiAlN ，它的性能在高溫連續切削時，優于氮化鈦四倍。

（2）TiAlCrN

TiAlCrN是一種梯度結構涂層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數也較小，適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優于TiN。

2.2 氮化鈦涂層

（1）氮化鈦涂層（TiN）

TiN是一種通用型PVD涂層，既具有共價化合物的高熔點、高硬度、良好的熱力穩定性以及耐腐蝕性等特點，有具有金屬所特有的良好的熱導性和電導性。可以提高刀具硬度并具有較高的氧化溫度，該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。TiN結構中，金屬Ti原子以面心立方點陣方式排列，N原子在它的八面體間隙位置，形成典型的NaCl結構。

（2）氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層（TiAlN/AlTiN）

TiAlN/AlTiN涂層中形成的氧化鋁層可以有效提高刀具的高溫加工壽命。主要用于干式或半干式切削加工的硬質合金刀具可選用該涂層。根據涂層中所含鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領域又一個可行的涂層選擇。

（3）氮化鉻涂層（CrN）

CrN涂層良好的抗粘結性使其在容易產生積屑瘤的加工中成為首選涂層。涂覆了這種幾乎無形的涂層后，高速鋼刀具或硬質合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。

2.3 納米涂層

納米涂層指納米無毒涂層的先進工藝，科技含量高的納米涂層技術。這種高科技納米涂層不僅無毒無害，還可以緩慢釋放出一種物質，降解室內甲醛、二甲苯等有害物質。

此外，新型TiCN基涂層兼有TiC和TiN涂層良好的韌性和硬度，耐用度比常用的TiN刀具高2～4倍，此外以TiCN為基的多元成分涂層材料如（Ti，Zr）CN、（Ti，Al）CN等也都紛紛出現[8]。

3.刀具涂層技術的發展趨勢

3.1涂層材料新品種的不斷創新，同時涂層基體范圍的不斷擴大，包括高速鋼、硬質合金和陶瓷都可以進行涂層。

3.2涂層將會逐步向多層涂層、梯度涂層、納米涂層及納米復合涂層等新型涂層方向發展，在以后的生產中將會有越來越廣泛的應用。

3.3噴丸、光整拋光等涂層處理工藝將得到更多的應用，以此來降低涂層的殘留應力，提高涂層的表面質量、表面光潔度以及提高加工效率等[9]。

3.4新型的涂層材料和新的涂層工藝方法將不斷出現，特別是新型高硬涂層以及軟涂層材料將會使涂層刀具的應用越來越廣。

4.結束語

涂層材料結構逐漸從單涂層向多涂層結構過渡，涂層工藝逐漸向低溫涂層和納米涂層方向發展，涂層刀具材料逐漸從硬涂層材料向軟涂層材料方向發展，新型的涂層材料和涂層工藝的發展將使涂層刀具的力學性能和切削性能得到很大的提高，對切削技術的發展有著舉足輕重的作用。結合當前涂層技術日益重要的地位和廣泛的市場需求，在吸取先進技術和設備的基礎上，發展擁有自主知識產權的工業化涂層技術及設備具有重大的現實意義。

參考文獻：

[1]王寶友，崔麗華.涂層刀具的涂層材料、涂層方法及發展方向[J].機械，2002，8（4）：1-2.

[2]吳奎，葉勤.射頻濺射法和電弧離子鍍法制備的納米TiO2薄膜性能比較[J]. 暨南大學學報（自然科學與醫學版），2006（3）：1-2.

[3]William Sproul. PVD Today [M].Cutting Tool Engineering， 1994.

[4]候志剛.硬質合金刀具涂層陶瓷新技術的研究[M].山東工業大學，1996.

[5]沈杰，沃松濤，崔曉莉，等. 射頻磁控濺射制備納米TiO2薄膜的光電化學行為[J].物理化學學報，2004（10）：4-6.

[6]王曦 .P.J.Martin. TiB2超硬薄膜的合成及性能[J].材料研究學報，1996，10（2）：191.

[7]陶琨，何向軍.IBAD薄膜與基體界面的顯微結構[J].材料研究學報，1996，10（1）：187.

[8]胡紅玉.涂層刀具發展動向[J].機械科學與技術，1997，（1）：5.

[9]李洪林，李波，胡恒寧，高見. 刀具涂層技術的最新發展狀況[J].工具技術，2010： 6-7.

作者簡介：陳桂干（1991-），男，漢族，本科，江蘇省南通市南通大學機械工程學院學生，方向：機械工程及自動化。