刀具涂层技术及其发展

２００７年１２月Ｄｅｃ．２００７第２４卷第４期Ｖｏｌ．２４Ｎｏ．４硬质合金ＣＥＭＥＮＴＥＤＣＡＲＢＩＤＥ

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"综合评述

刀具涂层技术及其发展雒有成（河南理工大学高等职业学院，河南焦作４５４０００）

摘要随着切削技术向着高速、高效、干式的方向发展，刀具涂层技术得到了广泛的应用，并成为了左右切削技术发展的主要因素。本文介绍了各种刀具涂层材料、刀具涂层结构和刀具生长工艺的研究现状。对刀具涂层的发展方向提出了个人见解。关键词涂层刀具涂层材料涂层结构涂层工艺

作者简介：雒有成（１９６６－－），男，本科，讲师。工作单位：河南理工大学高等职业学院。研究方向：机械加工。随着现代化金属切削加工的发展，未来的刀具需要满足高切削速度、高进给速度、高可靠性、长寿命等，并且需要适应高度自动化生产需求。传统无涂层刀具由于高温性能差，易磨损已经无法适应现代高效、高精密加工的发展要求。涂层技术在刀具上的应用为现代化金属加工技术开辟了新的航线［１］。在切削加工中，刀具性能对切削加工效率、精度、加工表面质量等有着决定性的影响。刀具性能的两个关键指标———硬度和强度（韧性）之间又存在着矛盾，硬度高的材料往往强度和韧性低，而要提高韧性往往是以硬度的下降为代价的。涂层技术通过改进刀具力学性能，有效调解了这两者的矛盾，同时刀具的耐磨性、高温强度等也得到大大改善。在相对较软的刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如ＴｉＡｌＮ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ａｌ２Ｏ３等）组成的涂层刀具，是切削刀具发展的一次革命［２］。涂层刀具与未涂层刀具相比，具有明显的优越性：显著降低摩擦系数，改善刀具表面的摩擦学性能和排屑能力；显著提高耐磨性和抗冲击韧性，改善刀具的切削性能，提高加工效率和刀具寿命；提高刀具表面抗氧化性能，使刀具可以承受更高的切削热，有利于提高切削速度及加工效率，并扩大了干切削的应用范围，从而减少或消除切削液对环境的影响。在先进制造业中，硬质合金刀具及高性能高速钢刀具，８０％以上都采用了表面涂层技术，ＣＮＣ机床上所用的切削刀具９０％以上是涂层刀具。由于涂层刀具的切削速度高、生产效率高，约８０％的加工量由涂层刀具完成。本文重点关注以旋转刀具为对象的涂层技术及其发展。

１刀具涂层材料刀具的涂层材料主要是一些具有高硬度的耐磨化合物。常用的涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种［２］。近年来，涂层技术得到了飞速的发展，涂层材料方面，从最早的ＴｉＮ涂层，已开发出ＴｉＣＮ、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、Ａｌ２Ｏ３、ＣｒＮ、Ｃ３Ｎ４、ＺｒＮ等硬涂层及超

硬涂层材料，以及ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＣ／Ｃ等软涂层材料，从而满足各种切削工艺的要求。１．１含钛硬涂层氮化钛（ＴｉＮ）是工艺最成熟，应用最早、最广泛的硬涂层材料。它具有较高的化学稳定性，可以大大减少刀具与工件之间的摩擦系数。目前工业发达国家ＴｉＮ涂层高速钢刀具的使用率已经占高速钢刀具

的５０％～７０％，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过９０％。但是ＴｉＮ涂层的耐氧化性较差，使用温度达５００℃时，膜层明显氧化而被烧蚀，硬度较低，不能满足现代金属切削对刀具的技术要求［３］。碳氮化钛（ＴｉＣＮ）是通过多元合金化方法，向ＴｉＮ涂层中加入Ｃ元素得到的。由于Ｃ元素的引入，涂层的硬度和抗氧化温度都得到了提高。ＴｉＣＮ涂层第２４卷在常规加工、温度低于５００℃的条件下表现出比ＴｉＮ及ＴｉＡｌＮ涂层更优越的性能———涂层硬度高、表面粗糙度和摩擦系数小。此外，该涂层可以和ＴｉＮ涂层形成多层膜结构，不但可以保持ＴｉＮ涂层与基体材料良好的结合和表面抗氧化性能，同时多层涂层形成的ＴｉＮ／ＴｉＣＮ内界面能改变单一涂层的柱状晶生长结构，提高涂层的韧性，从而提高涂层刀具的切削性能。氮铝化钛系列涂层［（Ｔｉ，Ａｌ）］Ｎ是非常成功的一种涂层材料，具有高硬度、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，用其加工高温合金、不锈钢、钛合金和镍合金时刀具的寿命比ＴｉＮ涂层刀具高３￣４倍［４］。不仅如此，在（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层中如果有合适的铝浓度，切削加工时在刀－屑界面上容易产生一层硬的、惰性的保护膜，该膜不仅可以阻止涂层进一步被氧化，而且具有较好的润滑性能及隔热性，可以有效地用于高速切削。（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层的机械物理性能优于ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等涂层，并可以与其他涂层配合组成多元多层复合涂层，如ＴｉＡｌＮ／Ａｌ２Ｏ３多层ＰＶＤ涂层，这种涂层的硬度可以达到ＨＶ４０００，涂层的层数可以达到４００层。目前（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层的发展方向为：提高涂层中的铝含量；改进涂层成分，在（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ涂层中添加Ｃ（或Ｓｉ）作为粘结剂强化涂层的显微结构改善其性能，添加Ｃｒ（或Ｏ）进一步提高涂层的氧化温度；改善涂层的结构。多层、梯度和纳米化也是其发展趋势。１．２无钛硬涂层ＡｌＣｒＮ涂层是具有代表性的一种无钛涂层，与ＴｉＡｌＮ相比，它具有更高的红硬性及抗氧化性能，使用温度可以达到１０００℃，该涂层工艺适合于硬质合金及高速钢材料涂层，用于铣削和车削加工切削速度可以达到４００ｍ／ｍｉｎ以上［５］。氧化铝（Ａｌ２Ｏ３）涂层材料具有非常好的抗氧化磨损和抗扩散磨损性能。Ａｌ２Ｏ３的高温耐磨性、耐热性和抗氧化能力比ＴｉＣ和ＴｉＮ好，月牙洼磨损率低，适合于高速、大切削热切削。但是由于与基体材料的物理、化学性能差别太大，单一的涂层无法制成理想的涂层刀具［６］。ＣＢＮ涂层的硬度和导热率仅次于金刚石，热稳定性极好，在大气中加热至１０００℃也不发生氧化。ＣＢＮ对于铁族金属具有极为稳定的化学性能，与金刚石不宜加工钢材不同，它可以广泛用于钢铁制品的精加工、研磨等。ＣＢＮ涂层除具有优良的耐磨损性能外，还可以在相当高的切削速度下加工耐热钢、钛合金、淬火钢，能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料和对刀具磨损非常严重的Ｓｉ－Ａｌ合金等。

其它新型开发硬涂层材料包括氮化碳（ＣＮｘ）、多

晶氮化物超点阵涂层等。如氮化碳（ＣＮｘ）涂层能够形成β－Ｃ３Ｎ４，理论上可以计算出其硬度将超过金刚石，已经有氮化碳合成的报道。多晶氮化物超点阵涂层是一种很有希望的新型刀具涂层，多晶ＴｉＮ／ＮｂＮ和ＴｉＮ／ＶＮ超点阵涂层的硬度分别为５０９６０Ｎ／ｍｍ２和

５４８８０Ｎ／ｍｍ２，超点阵涂层由于层内或层间位错导致

其硬度很高。同时还有ＣｒＣ和ＣｒＮ涂层、Ｈｆ（Ｚｒ，Ｔｉ，

Ｔａ等）的碳化物和硼化物涂层和Ｈｆ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ａｌ，Ｂｅ等）的氧化物涂层。ＣｒＣ涂层的硬质合金刀具摩擦系数小（０．１～０．１５），抗氧化温度高。由于材料的亲和性，以上含钛硬质合金涂层刀具不适合加工钛和钛合金类材料，而ＣｒＣ和ＣｒＮ涂层硬质合金是一种无钛涂层，可有限地切削钛、钛合金、铝以及其它软材料。１．３金刚石涂层工具金刚石薄膜具有接近天然金刚石的高硬度、高导热系数、低摩擦系数、低热膨胀系数等优异性能，这些特性使其在切削刀具领域具有广泛的应用前景。Ｎｏｒｔｏｎ公司指出，ＣＶＤ金刚石无论厚薄都比ＰＣＤ硬度高、导热性好和更耐高温。在铣削含ＳｉＣ的增强型铝基复合材料Ａ３５６－Ｔ６的试验中，Ｎｏｒｔｏｎ公司的一把φ９．５４ｍｍ的ＤＴ－１００厚膜金刚石立铣刀，在切削速度为３５９ｍ／ｍｉｎ，即转速为１２０００ｒ／ｍｉｎ时，其寿命为硬质合金铣刀的３００倍。ＣＶＤ金刚石涂层刀具是通过化学气相沉积法在硬质合金、陶瓷等刀具材料基体上沉积一层很薄的金刚石膜制成的。金刚石涂层刀具具有很高的刀具耐磨性和良好的刀具韧性，涂层摩擦系数小，导热性能好，抗冲击性能好，在高硅铝合金、金属基复合材料、工程陶瓷、有色金属、纤维增强聚合物层压制品等材料的切削加工领域应用前景十分广泛，该种刀具制造工艺相对简单，成本较低，尤其可以通过在刀具基体上直接沉积而制造复杂形状金刚石涂层刀具，因而研制开发高性能的ＣＶＤ金刚石涂层刀具将不仅直接冲击未涂层或其它涂层硬质合金刀具和陶瓷刀具市场，而且还成为ＰＣＤ聚晶金刚石刀具强有力的竞争对手。尽管国内外制备的金刚石薄膜刀片已有在生产上试用成功的报道，光明的应用前景已经出现，但金刚石涂层刀具仍未真正实现规模化生产。原因有两

雒有成：刀具涂层技术及其发展２５３・・硬质合金第２４卷点，其一，各种陶瓷刀片、聚晶金刚石复合刀片、金刚石厚膜刀片和高性能硬质合金刀片的应用使金刚石薄膜刀片的市场占有份额极为有限；其二，高质量金刚石薄膜刀片的制备工艺欠稳定，切削性能一致性差。国外在金刚石涂层刀具的研究中所反映的主要问题包括提高金刚石薄膜与刀具基体附着强度、增加金刚石薄膜沉积速度率和面积、有效而快速地进行附着强度检测、金刚石薄膜的高效抛光等，其中，有关研究表明［７，８］，金刚石薄膜刀具在试用中，因薄膜开裂脱落造成的刀具非正常失效与因正常磨损造成的失效之比为１０：１。可见，金刚石薄膜与刀具基体结合强度低是导致刀具非正常失效的主要原因，并成为金刚石薄膜刀具实现产业化的主要障碍，金刚石薄膜刀具制备需要解决的关键问题是金刚石薄膜与刀具衬底之间的附着强度问题，国外围绕这一关键技术，从刀具材料的优选、刀具衬底表面预处理、ＣＶＤ沉积工艺控制及附着强度的检测评价等方面开展了大量的工作，并取得了重要的研究成果。钨钴类硬质合金和Ｓｉ３Ｎ４陶瓷是作为刀具基体直接沉积金刚石薄膜最常用的材料。但硬质合金中的钴相在ＣＶＤ的条件下会促使金刚石向石墨转化，是导致金刚石膜附着强度低的重要原因［９］。一般是采取酸液浸蚀表面的方法去钴；Ｓｉ３Ｎ４陶瓷脆性大，只适于精加工，为此须采取ＳｉＣ晶须增韧方法。文献研究表明［１０，１１］，用机械研磨、离子束轰击、激光照射以及等离子刻蚀等表面预处理方法，可以改变ＷＣ－Ｃｏ基体表面的微观结构和化学成分，使钨钴类硬质合金基体表面成核密度增大，同时抑制Ｃｏ的催石墨化作用，从而增加金刚石薄膜与刀具基体的结合强度。金刚石薄膜与基体材料热膨胀系数不同导致的内应力也是获得高附着强度金刚石薄膜的又一障碍，文献［１２］在ＷＣ－Ｃｏ基体和金刚石薄膜之间沉积一多层中间过渡层，其结构是ＷＣ－８％Ｃｏ／Ｂ／ＴｉＢ２／Ｂ／金刚石，中间层既可以作为Ｃｏ或Ｃ的扩散障碍层，又可以缓解因热膨胀系数不同导致的金刚石薄膜与基体间应力梯度，提高金刚石薄膜附着强度。中间过渡层方法是研究提高金刚石薄膜附着强度的一个研究热点问题，该方法对金刚石、多层膜中间层及基体之间的晶格匹配性和热学匹配性要求严格，控制环节多，过程复杂，对设备条件要求较高，离应用到刀具还有较大距离。因此，如果综合各种方法的优点，特别是从产业化的角度，研究一种相对简便的ＣＶＤ涂层工艺，在低成本地制备高附着强度金刚石薄膜方面取得更好的效果，对于ＣＶＤ金刚石涂层刀具的推广应用至关重要。如何在获得高附着强度的同时能够尽可能地降低金刚石薄膜摩擦系数和表面粗糙度，也是金刚石涂层刀具实用化过程中的难题。据报道［１２］Ｋａｚｕｈｉｓａ采用离子注入法往金刚石薄膜中注入碳，使薄膜摩擦系数减小，比无碳薄膜的摩擦系数及磨损率降低两个数量级，因此开展这方面ＣＶＤ涂层新工艺研究，对于提高金刚石薄膜表面的光洁度，改善金刚石涂层刀具的性能将具有非常重要的意义。１．４软涂层（自润滑涂层）软涂层刀具通常也称为自润滑刀具，追求的目标是低摩擦系数，增加刀具表面的润滑性能，在切削加工中减少工件与刀具之间的摩擦，防止积屑瘤的产生从而提高加工表面质量，延长刀具寿命。在某些情况下，一些材料并不适合采用硬涂层刀具加工，如在航空航天中的一些高强度铝合金、钛合金等。这些材料在加工中非常粘刀，在刀具前刀面生成积屑瘤，不仅增加切削热、降低刀具寿命，而且影响加工表面质量。采用软涂层材料刀具可获得更好的加工效果。通常的软涂层有ＭｏＳ２、ＷＳ２、ＷＣ／Ｃ、ＴａＳ２／Ｍｏ等。