陳勇志 占志澤 曾鐵初

(1.東莞理工學院 機械工程學院，廣東東莞 523808;2.南昌硬質合金有限責任公司，南昌 330013)

自1969年德國克虜伯 (Krupp)公司和瑞典山特維克 (Sandvik)公司成功研發(fā)出化學氣相沉積(CVD)涂層技術，并向市場推出了TiC涂層硬質合金刀片產(chǎn)品，40年來刀具涂層技術進展迅速，無論是涂層工藝還是涂層材料和方式都取得了巨大成果。涂層方法從CVD法、PVD到PCVD法，涂層材料出現(xiàn)了TiC、TiN、TiCN、Al2O3等;涂層方式則由單一涂層發(fā)展到復合涂層。目前，在先進制造業(yè)中，硬質合金刀具及高性能高速鋼刀具，80%以上都采用了表面涂層技術，CNC機床上所用的切削刀具90%以上是涂層刀具［1］。涂層刀具越來越廣泛地應有到機械加工領域，顯著提高了金屬切削加工效率。

1 硬質合金涂層研究現(xiàn)狀

涂層材料須具有硬度高、耐磨性好、化學性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學反應、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求。最初開發(fā)出的涂層是TiC、TiN、Al2O3等單一涂層，并廣泛地應用到機械加工領域中。目前，TiN、TiC等涂層仍然是工藝最成熟和應用最廣泛的硬質合金涂層材料。與TiC相比較，TiN與基體結合強度差，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時膜層易因氧化而被燒蝕。TiC涂層雖有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。后續(xù)出現(xiàn)的TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點，它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質，并形成不同成份的多層結構，降低了涂層的內應力，提高了韌性，增加了涂層的厚度，阻止了裂紋的擴展，減少了崩刃。所以，目前生產(chǎn)的一些刀片，如瑞典Sandvik公司推薦用于加工鋼料的GC4000系列刀片、中國株洲硬質合金廠生產(chǎn)的CN系列刀片、日本東芝公司的T715X和T725X涂層刀片中均有TiCN涂層成份。TiCN基涂層適于加工普通鋼、合金鋼、不銹鋼和耐磨鑄鐵等材料，用它加工工件時的效率可提高2～3倍［2］。

TiAlN、CrN、TiAlCrN是近幾年來開發(fā)的硬質合金涂層新材料。TiAlN涂層的化學穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時的刀具壽命可比TiN涂層高3～4倍。此外，TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度，切削時在刀具前刀面和切屑的界面上還會產(chǎn)生一層硬質的惰性保護膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用于高速切削。CrN是一種無鈦涂層，適于切削鈦和鈦合金、銅、鋁以及其它軟材料［3］，其化學穩(wěn)定性好，不產(chǎn)生粘屑。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(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。

德國某公司開發(fā)了Supernitride涂層系列，其中超級氮化鈦涂層有很高的含鋁量，可形成穩(wěn)定的氧化層 (氧化溫度達1000℃)，它比一般的TiAlN涂層更硬、更致密、更耐高溫，適用于高速切削、干式切削和硬切削的刀具，可加工硬度高達58HRC以上的淬火鋼。

目前，涂層技術已發(fā)展到第五代，每代分別是TiN、TiCN、CrAlN、CrAlN+Si和Al2O3+其他涂層。

2 主要涂層方法與機理

涂層方法主要有化學氣相沉積、物理氣相沉積等。

2.1 化學氣相沉積

化學氣相沉積 (Chemical vapor deposition，簡稱CVD)是反應物質在氣態(tài)條件下發(fā)生化學反應，生成固態(tài)物質沉積在加熱的固態(tài)基體表面，進而制得固體材料的工藝技術。它本質上屬于原子范疇的氣態(tài)傳質過程。

CVD技術經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，在常規(guī)CVD涂層技術的基礎上，根據(jù)涂層溫度的高低，又開發(fā)有等離子增強CVD涂層技術和中溫CVD涂層技術，涂層的品種、性能有很大的提高，應用范圍迅速擴大。

CVD技術被廣泛應用于硬質合金可轉位刀具的表面處理。CVD可實現(xiàn)單成份單層及多成份多層復合涂層的沉積，涂層與基體結合強度較高，薄膜厚度較厚，可達7～9 μm，具有很好的耐磨性。但CVD工藝溫度高，易造成刀具材料抗彎強度下降;涂層內部呈拉應力狀態(tài)，易導致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋;同時，CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環(huán)境污染［4］。為解決CVD工藝溫度高的問題，低溫化學氣相沉積 (LT－CVD)，中溫化學氣相沉積 (MT－CVD)技術相繼開發(fā)并投入實用。目前，CVD(包括MT－CVD)技術主要用于硬質合金可轉位刀具的表面涂層，涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。

2.2 物理氣相沉積

物理氣相沉積 (Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)，指利用物理過程實現(xiàn)物質轉移，將原子或分子轉移到基材表面上的過程。

目前常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(fā) (LVEE)法、陰極電子弧沉積法 (CAD)、三極管高壓電子束蒸發(fā)法 (THVEE)、非平衡磁控濺射法 (UMS)、離子束協(xié)助沉積法 (IAD)和動力學離子束混合法 (DIM)，其主要差別在于沉積材料的氣化方法以及產(chǎn)生等離子體的方法不同而使得成膜速度和膜層質量存在差異。

PVD技術主要應用于整體硬質合金刀具和高速鋼刀具的表面處理。與CVD工藝相比，PVD工藝溫度低 (最低可低至80℃)，在600℃以下時對刀具材料的抗彎強度基本無影響;薄膜內部應力狀態(tài)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(huán)境無不利影響。目前，PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

2.3 其它涂層方法

如等離子噴涂、火焰噴涂、電鍍、溶鹽電解等，因還存在較大的應用局限性，故未廣泛應用。

3 主要涂層工藝比較

3.1 化學氣相沉積

目前，CVD(包括MT－CVD)技術主要用于硬質合金車削類刀具的表面涂層，涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。采用CVD技術還可實現(xiàn)金剛石涂層，這是PVD技術目前難以實現(xiàn)的，因此在干式切削加工中，CVD涂層技術仍占有極為重要的地位。

1)高溫化學氣相沉積 (HT－CVD)

盡管CVD涂層具有很好的耐磨性，但CVD工藝亦有其先天缺陷:一是工藝處理溫度高，易造成刀具材料抗彎強度下降;二是薄膜內部呈拉應力狀態(tài)，易導致刀具使用時產(chǎn)生微裂紋;三是CVD工藝排放的廢氣、廢液會造成較大環(huán)境污染，與目前大力提倡的綠色制造觀念相抵觸，因此自九十年代中期以來，高溫CVD技術的發(fā)展和應用受到一定制約。

2)低溫化學氣相沉積 (LT－CVD)

八十年代末，低溫化學氣相沉積技術達到了實用水平，其工藝處理溫度已降至450～650℃，有效抑制了η相的產(chǎn)生，可用于螺紋刀具、銑刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂層，但迄今為止，低溫CVD工藝在刀具涂層領域的應用并不廣泛。

3)中溫化學氣相沉積 (MT－CVD)

九十年代中期，中溫化學氣相沉積 (MT－CVD)新技術的出現(xiàn)使CVD技術發(fā)生了革命性變革。MT－CVD技術是以含C、N的有機物乙腈 (CH3CN)作為主要反應氣體、與TiCL4、H2、N2在700～900℃下產(chǎn)生分解、化學反應生成TiCN的新工藝。采用MT－CVD技術可獲得致密纖維狀結晶形態(tài)的涂層，涂層厚度可達8～10 μm。這種涂層結構具有極高的耐磨性、抗熱震性及韌性，并可通過高溫化學氣相沉積 (HT－CVD)工藝在刀片表面沉積Al2O3、TiN等抗高溫氧化性能好、與被加工材料親和力小、自潤滑性能好的材料。MT－CVD涂層刀片適于在高速、高溫、大負荷、干式切削條件下使用，其壽命可比普通涂層刀片提高一倍左右［5］。

3.2 物理氣相沉積 (PVD)

通過對PVD技術的研究結果表明:與CVD工藝相比，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(tài)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(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。隨著高速切削加工時代的到來，高速鋼刀具應用比例逐漸下降、硬質合金刀具和陶瓷刀具應用比例上升已成必然趨勢。因此，工業(yè)發(fā)達國家自九十年代初就開始致力于硬質合金刀具PVD涂層技術的研究，至九十年代中期取得了突破性進展，PVD涂層技術已普遍應用于硬質合金立銑刀、鉆頭、階梯鉆、油孔鉆、鉸刀、絲錐、可轉位銑刀片、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。

與CVD技術相比，PVD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(yōu)越性未得到充分體現(xiàn)。PVD法工藝要求比CVD法高，設備更復雜，涂層循環(huán)周期長。

3.3 混合物理化學氣相沉積 (MPCVD)

在同一臺設備上同時實現(xiàn)CVD和PVD的功能進行薄膜制造，目前已有研究成果出現(xiàn)。美國賓夕法尼亞州州立大學的郗小星小組和北京大學物理學院馮慶榮小組，分別用混合物理化學氣相沉積法制備MgB2超導薄膜［6］。

4 硬質合金涂層技術在實踐領域的新進展

近年來，隨著硬質合金涂層技術的不斷發(fā)展，其在實踐應用領域出現(xiàn)了一些新進展。

1)納米涂層的新工藝及產(chǎn)品不斷推出。納米涂層一般采用PVD技術進行，主要分為金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層交替涂覆、金屬AlN納米層與金屬A1CN納米層交替涂覆、金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層及金屬A1CN納米層交替涂覆等結構［7］。和傳統(tǒng)涂層相比，納米涂層具有優(yōu)異的力學性能，如更低的孔隙率，更高的結合強度，更高的硬度、抗氧化性、耐腐蝕性等，可大大拓寬涂層工具的應用領域。日本住友公司開發(fā)的AC105G，AC110G等牌號的zx涂層是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層，層數(shù)可達2000層，每層厚度約為l nm，這種新涂層與基體結合強度高，涂層硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剝離性強，而目可顯著改善刀具表面粗糙度，其壽命是TiN，TiAlN涂層的2～3倍［8］。據(jù)報道，在第八屆中國國際機床展覽會 (CIMT2003)上，瑞士某公司推出的納米結構涂層(AITiN/SiN)立銑刀，其涂層硬度為45 GPa，氧化溫度1 100℃，切削對比試驗表明，其壽命比TiN涂層立銑刀高3倍，比TiAlCN涂層立銑刀高2倍。

2)復合涂層工藝進展迅猛。由于單一涂層材料無法滿足對刀具綜合機械性能的要求，涂層成分向多元化、復合化發(fā)展成為必然趨勢，從目前應用來看，涂層成分更為復雜、更具針對性，且每單層成分也會越來越薄，并逐步趨于納米化。目前最主要的是雙層及三層涂層。雙層涂層以TiC/TiN雙層涂層為代表。由于TiC/TiN雙層涂層兼有TiC涂層和TiN涂層優(yōu)點，所以其既有較高的硬度和耐磨性，又有良好的化學穩(wěn)定性和高抗月牙注磨損性能，因此得到了廣泛的應用。三層涂層TiC/TiCN/TiN涂層為代表。這種涂層的性能較TiC/TiN雙層涂層及單層的TiC和TiN涂層均優(yōu)越。瑞典、美國、日本等國著名的硬質合金刀具公司都開發(fā)有相應型號的涂層刀具。

在TiC/TiCN/TiN涂層組合中再加入Al2O3層成為更現(xiàn)代化的涂層［9］。如瑞典Sandvik Coromant公司在CIMT2005上新的GC2015牌號刀具是具有TiCN－TiN/Al2O3－TiN結構的復合涂層，其中底層的TiCN與基體的結合強度高，并有良好的耐磨性。TiN/Al2O3:的多層結構既耐磨又能抑制裂縫的擴展，表面TiN具有較好的化學穩(wěn)定性，又易于觀察刀具的磨損［10］。

美國Kennametal Hertel公司的KC9315型刀片上也涂有16 μm厚的厚涂層，這種刀片特別適于加工高強度鑄鐵 (如球墨鑄鐵和蠕墨鑄鐵)，切削速度可達400 m/min，并可在干切削和斷續(xù)切削條件下使用。該刀片涂層總共有三層，一層是Al2O3，另一層為TiCN，最后一層為TiN［11］。

3)金剛石薄膜涂層刀具的應用進入規(guī)?；?。金剛石涂層硬質合金刀具的問世是近年來涂層技術的一項重大成就，它是利用化學氣相沉積技術在硬質合金基體上生長出一層由多晶組成的膜狀金剛石，可成復雜的幾何形狀。目前采用CVD技術可在硬質合金基體上沉積金剛石/TiC、金剛石/TiN和金剛石/Ti(C，N)涂層。研究表明，金剛石涂層高的導熱系數(shù)導致界面溫度降低，增加了TiC/TiN涂層硬度，涂層與涂層及基體之間結合強度提高，顯著改善了TiC/TiN涂層的抗磨損性能。目前，曾成為金剛石薄膜涂層使用難點的金剛石薄膜與硬質合金基體間的附著力問題已經(jīng)基本解決，金剛石涂層硬質合金刀具及其產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)設備和技術已經(jīng)在國內外市場上出現(xiàn)［12］，金剛石涂層是極具發(fā)展前景的新型涂層，近年來，美國、日本、瑞典等國家都已相繼推出了CVD金剛石涂層的絲錐、鉆頭、絞刀、立銑刀和帶斷屑槽可轉位刀片。實驗和統(tǒng)計結果表明，硬質合金金剛石涂層刀具的耐磨性和使用壽命是未涂層刀具的20～100倍，其切削性能與PCD刀具相當，但制造成本只有PCD刀具的1/8～1/4［13］。隨著技術的不斷進步，金剛石薄膜涂層刀具的前景不可限量。

5 結語

1)自涂層方法誕生以來，涂層方法從CVD法、PVD到PCVD法，涂層材料出現(xiàn)了TiC、TiN、TiCN、TiAlN等;涂層方式則由單一涂層發(fā)展到復合涂層。目前，涂層技術已發(fā)展到第五代，每代分別是TiN、TiCN、CrAlN、CrAlN+Si和Al2O3+其他涂層。

2)涂層方法主要有化學氣相沉積 (CVD)、物理氣相沉積 (PVD)等。與CVD工藝相比，PVD工藝更符合現(xiàn)代制造的發(fā)展方向。但PVD涂層存在均勻性差等缺陷。CVD工藝仍是涂層制造的重要方法。

3)涂層工藝仍在不斷發(fā)展。目前發(fā)展方向集中在:(1)納米涂層的新工藝及產(chǎn)品不斷推出;(2)復合涂層工藝進展迅猛;(3)金剛石薄膜涂層刀具的應用進入規(guī)?；?。

［1］雒有成.刀具涂層技術及其發(fā)展［J］.硬質合金，2007，24(4):252－257.

［2］張文毓.硬質合金涂層刀具研究進展［J］.稀有金屬與硬質合金，2008，36(1):59－63.

［3］葉偉昌，嚴衛(wèi)平，葉毅.涂層硬質合金的發(fā)展與應用［J］.硬質合金，1998，15(1):54－57.

［4］趙海波.國內外切削刀具涂層技術發(fā)展綜述［J］.工具技術，2002，36(2):3－7.

［5］周萬春，鄭旭，游煌煌.刀具表面涂層技術在干切削加工中的應用［J］.中州大學學報，2007，24(1):127－128.

［6］高建龍，周建中，張莉.MgB2超導薄膜制備方法對比研究［J］.物理，2008，37(7):493－499.

［7］佘建芳.肯納金屬公司切削刀具涂層技術的發(fā)展［J］.稀有金屬與硬質合金，2005，33(2):59－62.

［8］住友電工株式會社.住友電工產(chǎn)品手冊［G］.香港:住友電器(亞洲)有限公司，2002.

［9］佘建芳.山特維克可樂滿公司切削刀具涂層技術的發(fā)展［J］.稀有金屬與硬質合金，2003，31(3):51－55.

［10］余東海，王成勇，張鳳林.刀具涂層材料研究進展［J］.工具技術，2007，41(6):25－32.

［12］趙志巖.CVD金剛石涂層刀具研究與應用前景［J］.硬質合金，2009，26(4):246－251.

［13］Robert F，Davis.Diamond films and coatings:development，properties and applicantions［M］.ParK Ridge N J:Noyes Publications，1993.