涂层刀具材料研究现状与发展思路

摘要：制造业的飞速发展对刀具材料的要求也越来越高，涂层技术实现了涂层材料的特殊优异性能，使刀具的使用寿命和切削性能等都得到了极大的提高。因此，涂层技术的应用领域正在日益扩大，在制造业中必将显示更加重要的地位。本文介绍了刀具涂层材料的研究现状，对其制备工艺及分类两方面进行了综述，并探讨了涂层刀具材料的发展趋势。

关键词：纳米涂层；物理气相沉积；化学气相沉积；超硬刀具

引 言

19世纪70年代，用于研究的简单涂层设备开始出现；到20世纪70年代商品化的涂层设备供应于世；20世纪80年代涂层技术进入工业化大生产；21世纪初，涂层技术成为世人瞩目的新技术。涂层技术是应市场需求发展起来的一种表面处理技术。近10年来，涂层技术在刀具行业的应用得到了快速普及，涂层刀具已成为切削加工不可或缺的主流刀具。与此同时，随着切削技术向高速、高效、强力、干式的方向发展，刀具涂层技术成为了左右切削技术发展的主要因素。由于这项技术可使工、模具表面获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率及延长工、模具使用寿命，因此它已成为满足现代机械加工高效率、高精度、高可靠性要求的关键技术之一，而且其应用领域正在迅速扩展。涂层发展正面临前所未有的机遇。因此，对于刀具涂层及其性能的研究，并开发满足不同加工条件的高性能刀具涂层，对促进制造业发展具有重要意义。

1.涂层刀具材料的制备及发展现状

涂层刀具结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，提高了刀具的耐磨性而不降低其韧性。涂层刀具通用性广，加工范围显著扩大，使用涂层刀具可以获得明显的经济效益[1] 。涂层技术的发展已从当初单一的TiC、TiN涂层发展为TiC-Al2O3-TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层，涂层的性能有了很大的改善，使用范围不断扩大，涂层刀具的基体材料范围也在扩大，高速钢、硬质合金、陶瓷刀具都可以进行涂层。新的涂层工艺不断出现，如生产上常用的涂层方法有两种：物理气相沉积（PVD） 法如图1和化学气相沉积（CVD） 法如图4。

1.1物理气相沉积

图1 物理气相沉积（PVD）示意图

PVD的涂层技术包括：

1）过滤阴极弧：过滤阴极电弧（FCA ）配有高效的电磁过滤系统，可将离子源产生的等离子体中的宏观粒子、离子团过滤干净，经过磁过滤后沉积粒子的离化率为100%，并且可以过滤掉大颗粒， 因此制备的薄膜非常致密和平整光滑，具有抗腐蚀性能好，与机体的结合力很强如图2。

2）磁控溅射：在真空环境下，通过电压和磁场的共同作用，以被离化的惰性气体离子对靶材进行轰击，致使靶材以离子、原子或分子的形式被弹出并沉积在基件上形成薄膜。根据使用的电离电源的不同，导体和非导体材料均可作为靶材被溅射如图3。

3）离子束DLC：碳氢气体在离子源中被离化成等离子体，在电磁场的共同作用下，离子源释放出碳离子。离子束能量通过调整加在等离子体上的电压来控制。碳氢离子束被引到基片上，沉积速度与离子电流密度成正比。星弧涂层的离子束源采用高电压，因而离子能量更大，使得薄膜与基片结合力很好；离子电流更大，使得DLC膜的沉积速度更快。离子束技术的主要优点在于可沉积超薄及多层结构，工艺控制精度可达几个埃，并可将工艺过程中的颗料污染所带来的缺陷降至最小[2] 。

图2 PVD电弧过程示意图

图3 PVD溅射过程示意图

1.2化学气相沉积

图4 化学气相沉积原理示意图

PVD法起步晚、发展快、温度低（约300～500℃），优点多[3]， 但涂层的均匀性不如CVD法，涂层与基体结合不太牢固，涂层硬度比较低，涂层优越性未得到充分体现，PVD法工艺要求比CVD法高，设备更复杂，涂层循环周期长[4] 。PVD与CVD工艺相比，前者沉积温度为500℃，涂层厚度为2～5μm；后者的沉积温度为900℃～1100℃，涂层厚度可达5～10μm，并且设备简单，涂层均匀。与此同时，PVD工艺处理温度低，在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度无影响；薄膜内部应力状态为压应力，更适于对硬质合金精密复杂刀具的涂层；PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。PVD技术不仅提高了薄膜与刀具基体材料的结合强度，涂层成分也由第一代的TiN发展为TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、TiAlN、TiAlCN、TiN-AlN、CNx、DLC和Ta-C等多元复合涂层[5] 。

国外还用PVD/CVD相结合的技术，开发了复合的涂层工艺，称为PACVD法（等离子体化学气相沉积法）。即利用等离子体来促进化学反应，可把涂覆温度降至400℃以下（涂覆温度已可降至180℃～200℃），使硬质合金基体与涂层材料之间不会产生扩散、相变或交换反应，可保持刀片原有的韧性。据报道，这种方法对涂覆金刚石和立方氮化硼（CBN）超硬涂层特别有效。以及离子束溅射法[6] 和中能离子束辅助沉积法（IBAD）[7]等。

2.刀具涂层的分类

2.1硬质涂层

（1）TiAlN

TiAlN膜层化学稳定性好，具有高热硬性、极佳抗氧化性、耐磨耗等特点，加工高合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金时，比 TiN 涂层刀具提高寿命 3～4 倍。在高速干式切削的情况下，最好的 PVD 涂层是 TiAlN ，它的性能在高温连续切削时，优于氮化钛四倍。

（2）TiAlCrN

TiAlCrN是一种梯度结构涂层，不僅具有高的韧性和硬度，而且摩擦因数也较小，适用于铣刀、滚刀、丝锥等多种刀具，切削性能明显优于TiN。

2.2 氮化钛涂层

（1）氮化钛涂层（TiN）

TiN是一种通用型PVD涂层，既具有共价化合物的高熔点、高硬度、良好的热力稳定性以及耐腐蚀性等特点，有具有金属所特有的良好的热导性和电导性。可以提高刀具硬度并具有较高的氧化温度，该涂层用于高速钢切削刀具或成形工具可获得很不错的加工效果。TiN结构中，金属Ti原子以面心立方点阵方式排列，N原子在它的八面体间隙位置，形成典型的NaCl结构。

（2）氮铝钛或氮钛铝涂层（TiAlN/AlTiN）

TiAlN/AlTiN涂层中形成的氧化铝层可以有效提高刀具的高温加工寿命。主要用于干式或半干式切削加工的硬质合金刀具可选用该涂层。根据涂层中所含铝和钛的比例不同，AlTiN涂层可提供比TiAlN涂层更高的表面硬度，因此它是高速加工领域又一个可行的涂层选择。

（3）氮化铬涂层（CrN）

CrN涂层良好的抗粘结性使其在容易产生积屑瘤的加工中成为首选涂层。涂覆了这种几乎无形的涂层后，高速钢刀具或硬质合金刀具和成形工具的加工性能将会大大改善。

2.3 纳米涂层

纳米涂层指纳米无毒涂层的先进工艺，科技含量高的纳米涂层技术。这种高科技纳米涂层不仅无毒无害，还可以缓慢释放出一种物质，降解室内甲醛、二甲苯等有害物质。

此外，新型TiCN基涂层兼有TiC和TiN涂层良好的韧性和硬度，耐用度比常用的TiN刀具高2～4倍，此外以TiCN为基的多元成分涂层材料如（Ti，Zr）CN、（Ti，Al）CN等也都纷纷出现[8]。

3.刀具涂层技术的发展趋势

3.1涂层材料新品种的不断创新，同时涂层基体范围的不断扩大，包括高速钢、硬质合金和陶瓷都可以进行涂层。

3.2涂层将会逐步向多层涂层、梯度涂层、纳米涂层及纳米复合涂层等新型涂层方向发展，在以后的生产中将会有越来越广泛的应用。

3.3喷丸、光整抛光等涂层处理工艺将得到更多的应用，以此来降低涂层的残留应力，提高涂层的表面质量、表面光洁度以及提高加工效率等[9]。

3.4新型的涂层材料和新的涂层工艺方法将不断出现，特别是新型高硬涂层以及软涂层材料将会使涂层刀具的应用越来越广。

4.结束语

涂层材料结构逐渐从单涂层向多涂层结构过渡，涂层工艺逐渐向低温涂层和纳米涂层方向发展，涂层刀具材料逐渐从硬涂层材料向软涂层材料方向发展，新型的涂层材料和涂层工艺的发展将使涂层刀具的力学性能和切削性能得到很大的提高，对切削技术的发展有着举足轻重的作用。结合当前涂层技术日益重要的地位和广泛的市场需求，在吸取先进技术和设备的基础上，发展拥有自主知识产权的工业化涂层技术及设备具有重大的现实意义。

参考文献：

[1]王宝友，崔丽华.涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向[J].机械，2002，8（4）：1-2.

[2]吴奎，叶勤.射频溅射法和电弧离子镀法制备的纳米TiO2薄膜性能比较[J]. 暨南大学学报（自然科学与医学版），2006（3）：1-2.

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

[4]候志刚.硬质合金刀具涂层陶瓷新技术的研究[M].山东工业大学，1996.

[5]沈杰，沃松涛，崔晓莉，等. 射频磁控溅射制备纳米TiO2薄膜的光电化学行为[J].物理化学学报，2004（10）：4-6.

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

[7]陶琨，何向军.IBAD薄膜与基体界面的显微结构[J].材料研究学报，1996，10（1）：187.

[8]胡紅玉.涂层刀具发展动向[J].机械科学与技术，1997，（1）：5.

[9]李洪林，李波，胡恒宁，高见. 刀具涂层技术的最新发展状况[J].工具技术，2010： 6-7.

作者简介：陈桂干（1991-），男，汉族，本科，江苏省南通市南通大学机械工程学院学生，方向：机械工程及自动化。