涂層刀具材料研究現(xiàn)狀與發(fā)展思路

摘要：制造業(yè)的飛速發(fā)展對(duì)刀具材料的要求也越來越高，涂層技術(shù)實(shí)現(xiàn)了涂層材料的特殊優(yōu)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(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域正在日益擴(kuò)大，在制造業(yè)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(xiàn)狀，對(duì)其制備工藝及分類兩方面進(jìn)行了綜述，并探討了涂層刀具材料的發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：納米涂層；物理氣相沉積；化學(xué)氣相沉積；超硬刀具

引 言

19世紀(jì)70年代，用于研究的簡(jiǎn)單涂層設(shè)備開始出現(xiàn)；到20世紀(jì)70年代商品化的涂層設(shè)備供應(yīng)于世；20世紀(jì)80年代涂層技術(shù)進(jìn)入工業(yè)化大生產(chǎn)；21世紀(jì)初，涂層技術(shù)成為世人矚目的新技術(shù)。涂層技術(shù)是應(yīng)市場(chǎng)需求發(fā)展起來的一種表面處理技術(shù)。近10年來，涂層技術(shù)在刀具行業(yè)的應(yīng)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(shí)，隨著切削技術(shù)向高速、高效、強(qiáng)力、干式的方向發(fā)展，刀具涂層技術(shù)成為了左右切削技術(shù)發(fā)展的主要因素。由于這項(xiàng)技術(shù)可使工、模具表面獲得優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率及延長工、模具使用壽命，因此它已成為滿足現(xiàn)代機(jī)械加工高效率、高精度、高可靠性要求的關(guān)鍵技術(shù)之一，而且其應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速擴(kuò)展。涂層發(fā)展正面臨前所未有的機(jī)遇。因此，對(duì)于刀具涂層及其性能的研究，并開發(fā)滿足不同加工條件的高性能刀具涂層，對(duì)促進(jìn)制造業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1.涂層刀具材料的制備及發(fā)展現(xiàn)狀

涂層刀具結(jié)合了基體高強(qiáng)度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)點(diǎn)，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(kuò)大，使用涂層刀具可以獲得明顯的經(jīng)濟(jì)效益[1] 。涂層技術(shù)的發(fā)展已從當(dāng)初單一的TiC、TiN涂層發(fā)展為TiC-Al2O3-TiN復(fù)合涂層和TiCN、TiAlN等多元復(fù)合涂層，涂層的性能有了很大的改善，使用范圍不斷擴(kuò)大，涂層刀具的基體材料范圍也在擴(kuò)大，高速鋼、硬質(zhì)合金、陶瓷刀具都可以進(jìn)行涂層。新的涂層工藝不斷出現(xiàn)，如生產(chǎn)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(xué)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(shù)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(tǒng)，可將離子源產(chǎn)生的等離子體中的宏觀粒子、離子團(tuán)過濾干凈，經(jīng)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(jī)體的結(jié)合力很強(qiáng)如圖2。

2）磁控濺射：在真空環(huán)境下，通過電壓和磁場(chǎng)的共同作用，以被離化的惰性氣體離子對(duì)靶材進(jìn)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(jù)使用的電離電源的不同，導(dǎo)體和非導(dǎo)體材料均可作為靶材被濺射如圖3。

3）離子束DLC：碳?xì)錃怏w在離子源中被離化成等離子體，在電磁場(chǎng)的共同作用下，離子源釋放出碳離子。離子束能量通過調(diào)整加在等離子體上的電壓來控制。碳?xì)潆x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(jié)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(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)在于可沉積超薄及多層結(jié)構(gòu)，工藝控制精度可達(dá)幾個(gè)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(xué)氣相沉積

圖4 化學(xué)氣相沉積原理示意圖

PVD法起步晚、發(fā)展快、溫度低（約300～500℃），優(yōu)點(diǎn)多[3]， 但涂層的均勻性不如CVD法，涂層與基體結(jié)合不太牢固，涂層硬度比較低，涂層優(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)，PVD法工藝要求比CVD法高，設(shè)備更復(fù)雜，涂層循環(huán)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(dá)5～10μm，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，涂層均勻。與此同時(shí)，PVD工藝處理溫度低，在600℃以下時(shí)對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度無影響；薄膜內(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適于對(duì)硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層；PVD工藝對(duì)環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，涂層成分也由第一代的TiN發(fā)展為TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和Ta-C等多元復(fù)合涂層[5] 。

國外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱為PACVD法（等離子體化學(xué)氣相沉積法）。即利用等離子體來促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可把涂覆溫度降至400℃以下（涂覆溫度已可降至180℃～200℃），使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。據(jù)報(bào)道，這種方法對(duì)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(zhì)涂層

（1）TiAlN

TiAlN膜層化學(xué)穩(wěn)定性好，具有高熱硬性、極佳抗氧化性、耐磨耗等特點(diǎn)，加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金、鎳合金時(shí)，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(xù)切削時(shí)，優(yōu)于氮化鈦四倍。

（2）TiAlCrN

TiAlCrN是一種梯度結(jié)構(gòu)涂層，不僅具有高的韌性和硬度，而且摩擦因數(shù)也較小，適用于銑刀、滾刀、絲錐等多種刀具，切削性能明顯優(yōu)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(jià)化合物的高熔點(diǎn)、高硬度、良好的熱力穩(wěn)定性以及耐腐蝕性等特點(diǎn)，有具有金屬所特有的良好的熱導(dǎo)性和電導(dǎo)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(cuò)的加工效果。TiN結(jié)構(gòu)中，金屬Ti原子以面心立方點(diǎn)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(jié)構(gòu)。

（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(zhì)合金刀具可選用該涂層。根據(jù)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(lǐng)域又一個(gè)可行的涂層選擇。

（3）氮化鉻涂層（CrN）

CrN涂層良好的抗粘結(jié)性使其在容易產(chǎn)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(zhì)合金刀具和成形工具的加工性能將會(huì)大大改善。

2.3 納米涂層

納米涂層指納米無毒涂層的先進(jìn)工藝，科技含量高的納米涂層技術(shù)。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(zhì)，降解室內(nèi)甲醛、二甲苯等有害物質(zhì)。

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(xiàn)[8]。

3.刀具涂層技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1涂層材料新品種的不斷創(chuàng)新，同時(shí)涂層基體范圍的不斷擴(kuò)大，包括高速鋼、硬質(zhì)合金和陶瓷都可以進(jìn)行涂層。

3.2涂層將會(huì)逐步向多層涂層、梯度涂層、納米涂層及納米復(fù)合涂層等新型涂層方向發(fā)展，在以后的生產(chǎn)中將會(huì)有越來越廣泛的應(yīng)用。

3.3噴丸、光整拋光等涂層處理工藝將得到更多的應(yīng)用，以此來降低涂層的殘留應(yīng)力，提高涂層的表面質(zhì)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(xiàn)，特別是新型高硬涂層以及軟涂層材料將會(huì)使涂層刀具的應(yīng)用越來越廣。

4.結(jié)束語

涂層材料結(jié)構(gòu)逐漸從單涂層向多涂層結(jié)構(gòu)過渡，涂層工藝逐漸向低溫涂層和納米涂層方向發(fā)展，涂層刀具材料逐漸從硬涂層材料向軟涂層材料方向發(fā)展，新型的涂層材料和涂層工藝的發(fā)展將使涂層刀具的力學(xué)性能和切削性能得到很大的提高，對(duì)切削技術(shù)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。結(jié)合當(dāng)前涂層技術(shù)日益重要的地位和廣泛的市場(chǎng)需求，在吸取先進(jìn)技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，發(fā)展擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化涂層技術(shù)及設(shè)備具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王寶友，崔麗華.涂層刀具的涂層材料、涂層方法及發(fā)展方向[J].機(jī)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(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)與醫(yī)學(xué)版），2006（3）：1-2.

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

[4]候志剛.硬質(zhì)合金刀具涂層陶瓷新技術(shù)的研究[M].山東工業(yè)大學(xué)，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(xué)行為[J].物理化學(xué)學(xué)報(bào)，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(xué)報(bào)，1996，10（2）：191.

[7]陶琨，何向軍.IBAD薄膜與基體界面的顯微結(jié)構(gòu)[J].材料研究學(xué)報(bào)，1996，10（1）：187.

[8]胡紅玉.涂層刀具發(fā)展動(dòng)向[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，1997，（1）：5.

[9]李洪林，李波，胡恒寧，高見. 刀具涂層技術(shù)的最新發(fā)展?fàn)顩r[J].工具技術(shù)，2010： 6-7.

作者簡(jiǎn)介：陳桂干（1991-），男，漢族，本科，江蘇省南通市南通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院學(xué)生，方向：機(jī)械工程及自動(dòng)化。