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)展對刀具材料的要求也越來越高，涂層技術(shù)實現(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(fā)展趨勢。

關(guān)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(shè)備開始出現(xiàn)；到20世紀70年代商品化的涂層設(shè)備供應(yīng)于世；20世紀80年代涂層技術(shù)進入工業(yè)化大生產(chǎn)；21世紀初，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，隨著切削技術(shù)向高速、高效、強力、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。由于這項技術(shù)可使工、模具表面獲得優(yōu)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(xiàn)代機械加工高效率、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)域正在迅速擴展。涂層發(fā)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(fā)滿足不同加工條件的高性能刀具涂層，對促進制造業(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)合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優(yōu)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(jīng)濟效益[1] 。涂層技術(shù)的發(fā)展已從當初單一的TiC、TiN涂層發(fā)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(zhì)合金、陶瓷刀具都可以進行涂層。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?。哼^濾陰極電?。‵CA ）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，與機體的結(jié)合力很強如圖2。

2）磁控濺射：在真空環(huán)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(jù)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(diào)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(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)點在于可沉積超薄及多層結(jié)構(gòu)，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(fā)展快、溫度低（約300～500℃），優(yōu)點多[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5～10μm，并且設(shè)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(nèi)部應(yīng)力狀態(tài)為壓應(yīng)力，更適于對硬質(zhì)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。PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強度，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等多元復合涂層[5] 。

國外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開發(fā)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(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產(chǎn)生擴散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。據(jù)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(zhì)涂層

（1）TiAlN

TiAlN膜層化學穩(wěn)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(xù)切削時，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，既具有共價化合物的高熔點、高硬度、良好的熱力穩(wěn)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?？梢蕴岣叩毒哂捕炔⒕哂休^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(jié)構(gòu)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(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(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

3.1涂層材料新品種的不斷創(chuàng)新，同時涂層基體范圍的不斷擴大，包括高速鋼、硬質(zhì)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(fā)展，在以后的生產(chǎn)中將會有越來越廣泛的應(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性能和切削性能得到很大的提高，對切削技術(shù)的發(fā)展有著舉足輕重的作用。結(jié)合當前涂層技術(shù)日益重要的地位和廣泛的市場需求，在吸取先進技術(shù)和設(shè)備的基礎(chǔ)上，發(fā)展擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)化涂層技術(shù)及設(shè)備具有重大的現(xiàn)實意義。

參考文獻：

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[8]胡紅玉.涂層刀具發(fā)展動向[J].機械科學與技術(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)展狀況[J].工具技術(shù)，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。