刀具涂层材料综述 2

机加工刀具涂层材料综述

王晓宏

（陕西工业职业技术学院机械工程学院，陕西 咸阳 712000）

摘要：机加工涂层刀具的出现是刀具材料发展中的一次革命, 工业发达国家使用的涂层刀具在切削刀具中占的比例越来越大，约占到70%～80%，涂层刀具已经成为现代刀具的标志。本文主要介绍单涂层、多元涂层、多层涂层、纳米技术涂层、超硬材料涂层、软涂层等刀具涂层材料的性能，特点及应用，为提高加工效率和刀具耐用度打下坚实基础。

关键词：涂层 月牙洼磨损 纳米技术 磨损

Summary of tool coating material

wangxiaohong

（shaanxi polytechnic institute,xianyang 712000）

Abstract: The emergence of coated tools is the development of a tool material revolution, industrial countries the use of coated tools in cutting tools account for an increasing proportion, about 70% to 80%, coated cutting tools has become a modern tool sign.This paper describes a single coating, multiple coatings, multilayer coatings, nano-technology coating, hard material coating, soft coating and other coating materials, cutting tool performance, features and applications, to improve processing efficiency and tool durability and lay a solid foundation.

Keywords: coating；Crater wear；Nanotechnology；Wear and tear

涂层刀具是利用气相沉积方法在高强度的硬质合金或高速钢(HSS)基体表面涂覆几个微米的高硬度，高耐磨性的难熔金属或非金属化合物涂层而获得的。涂层刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化学性能稳定、耐热耐氧化、摩擦系数小和热导率低等特性，涂层材料作为化学屏障和热屏障，减少了刀具与工件间的扩散和化学反应，从而减少了月牙洼磨损，切削时可比未涂层刀具提高刀具寿命3～5倍以上，提高切削速度20%～70%，提高加工精度 0.5～1级，降低刀具消耗费用20%～50%。

1 单涂层

TiC 和TiN是最早出现的刀具涂层材料，也是目前国内外应用较多的涂层。TiC涂层硬度高（达HV2500～4200），具有高的抗机械磨损和抗磨料磨损性能，与未涂层刀具相比，有较低的摩擦系数，较小的切削力和较低的切削温度，具有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力，应用温度500℃，但其性脆，不耐冲击。TiN涂层是工艺最成熟和应用最广泛的硬质涂层材料，其突出优点是摩擦系数小，应用温度达到600℃，适于加工钢材或切削易于粘在前刀面上的材料。目前国内外的刀具公司都有这两种涂层牌号的产品。

化学气相沉积（CVD）的Al2O3涂层刀具的切削性能高于TiN和TiC涂层刀具，且切削速度愈高，刀具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范围切削钢件时，Al2O3涂层在高温下硬度降低较TiC涂层小，Al2O3具有更好的化学稳定性和高温抗氧化能力，因此具有更好的抗月牙洼磨损、抗后刀面磨损和抗刃口热塑性变形的能力，在高温下有较高的耐用度。第一代Al2O3涂层切削刀具中，涂层常常是由a-和κ-Al2O3的混合物组成，导致不均匀的涂层形貌，严重降低涂层性能。过去的10年里，在控制a-Al2O3晶体成核和细颗粒微观结构方面取得了很大进步。早期的a-Al2O3涂层出现热裂纹并且易碎，最近通过调节晶核表面的化学作用就可能完全控制并使a-Al2O3相成核，形成由细颗粒a- Al2O3 组成的涂层，避免了转化裂纹，与早先技术得到的a-Al2O3涂层相比，表现出优

异的韧性。

Al2O3涂层的绝缘特性使物理气相沉积（PVD）工艺相当难于控制，且沉积速度很低，如何能通过PVD的方法制备Al2O3涂层一直是刀具涂层业所关心的问题。CemeCon公司开发的高电离化脉冲技术(HIPTM)，使优异的AlOx涂层成为可能。该公司新近开发的建立在磁控溅射TiAlN涂层基础上Al2O3涂层，涂覆温度低于 450℃，在铸铁和高性能和合金材料试验上取得了满意结果。

HfN热膨胀系数非常接近硬质合金基体，涂镀后产生的热应力很小，刀片抗弯强度降低少，因热膨胀系数不同而引起的和崩刃的危险性减少，且HfN热稳定性和化学稳定性较很多高熔点材料的高，在温度高达817～1204℃时仍有很高的硬度(30GPa)，耐磨性好。目前市场上美国Teledyne公司牌号为HN＋及HN＋4的刀片及德国Walter公司牌号为WHN的刀片都是HfN涂层刀片。

由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料之间的亲合力，会使摩擦力和粘结增大，产生粘屑，而CrC、CrN和新开发的 Mo2N、Cr2O3等涂层化学稳定性好，不易产生粘屑，适于切削钛、铜、铝及其合金材料。此外常见的单涂层材料还有NbC、HfC、ZrC、ZrN、 BN、VN等。

2 多元涂层

单涂层刀具由于基材与涂层两者的硬度，弹性模量及热膨胀系数相差较远，晶格类型也不尽相同，导致残余应力增加，结合力较弱。在单涂层中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨损性，加入Si提高硬度和抗化学扩散）制备出多元的刀具涂层材料，大大提高了刀具的综合性能。

最常用的多元刀具涂层是TiCN、TiAlN涂层。TiCN涂层兼有 TiC和TiN涂层的良好韧性和硬度，它在涂覆过程中可通过连续改变C和N的成份来控制TiCN的性质，并可形成不同成份的梯度

结构，降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层厚度，阻止裂纹扩展，减少崩刃。

TiCN涂层技术不断地在发展，九十年代中期，中温化学气相沉积(MT-CVD)新技术的出现，使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术是以有机物乙腈(CH3CN)作为主要反应气体，在700℃以下生成TiCN涂层。这种 TiCN涂层方法有效控制了很脆的η相(Co3W3C)生成，提高了涂层的耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明：在PVD沉积TiCN涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及耐磨性。近年来，以TiCN为基的四元成分新涂层材料（如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等）也纷纷出现。

TiAlN 涂层材料是目前应用最广泛的高速硬质合金刀具涂层之一，TiAlN有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力，涂层组成由原来的Ti0.75Al0.25N转化为优先使用的Ti0.5Al0.5N。Ti0.5Al0.5N涂层抗氧化温度为800℃，在高速加工中表面会产生一层非晶态Al2O3薄膜，对涂层起保护作用。目前人们将研究重点放在对TiAlN涂层的改进上，以满足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求的不断提高。目前德国CemeCon 公司采用高电离溅射技术(HIS?)获得先进的TiAlN涂层，涂层与基体有极好的结合力，避免了采用多弧离子镀技术时蒸发材料在熔融状态以液滴的形式沉积于工作表面的现象，从而可获得表面非常光滑平整的涂层。Balzers公司新开发的X.CEED涂层也是一种单层TiAlN涂层，具有优异的红硬性和抗氧化性，即使在恶劣的条件下，涂层与基体仍具有良好的结合强度。三菱公司的MIRACLE涂层是含Al丰富的（Al,Ti）N涂层，通过大幅提高膜硬度和抗氧化性而实现了对淬火钢的直接加工。

TiBN涂层是基于TiN和TiB2发展起来的多元涂层，它既增强了TiN涂层的硬度，又保持了良好的韧性，避免了BN涂层和TiB2涂层的脆性，涂覆刀具耐磨性及抗腐蚀能力显著提高，且磨擦系数较低。C Heau等人过溅射Ti-B靶材沉积出的Ti-B-N涂层结合力得以改善，且达到了44GPa的显微硬度。CemeCon公司开发的TiAlBN涂层，通过硼含量的变化，在加工过程中产生所谓“实时”现象，即通过硼扩散，形成BN、B2N3，从而得到有利于切削加工的润滑膜层。此外还有日立公司

开发的高温下具有低摩擦系数的TiBON涂层。

在TiN中加入Si元素形成TiSiN多元涂层，其抗高温氧化性较单涂层TiN明显提高。日本日立公司开发的适用于硬切削的TiSiN涂层具有36GPa的硬度和1100℃的开始氧化温度，此外日立公司还以Cr代替Ti元素，开发出具有润滑性，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工的CrSiN涂层以及四元的具有超强耐氧化性的AlCrSiN涂层。

Balzers公司另一具有代表性的多元涂层是以Cr元素替代Ti元素的AlCrN涂层，称为G6，该涂层具有HV3200的显微硬度，使用温度可达到1000℃，它的韧性超过钛基涂层（如TiAlN、TiCN），更适合断续切削和难加工材料的加工。

成都工具研究所开发了我国首创的Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B两个系列共三种高性能多元复合涂层，具有优异的复合机械性能和优良的切削性能，主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上。其他的多元涂层材料还有TiMoN，TiCrN，NbCrN，NbZrN等。

3 纳米技术涂层

随着纳米技术的发展和涂镀技术的进步，纳米刀具涂层材料也引起的广大研究者的关注。纳米涂层主要有两种：纳米多层结构和纳米复合结构。纳米多层涂层一般由高层数的同种结构材料、化学键和原子半径及点阵常相近的各单层材料组成，可能得到与组成它的各单层涂层的性能差异显著的全新涂层。这是一种人为可控的一维周期结构，交替沉积单层涂层不超过 5～15nm。Chu和Barnett认为，纳米多层涂层的高硬度主要是由于层内或层间位错运动困难所致。当涂层非常薄时，两层间的剪切模量不同，如果层间位错能量有较大差异，则层间位错运动困难，即位错运动的能量决定了超点阵涂层的硬度。纳米多层涂层的结构主要有三种方式：(1)金属氮化物纳米层与金属 AlN纳米层交替涂覆；(2)金属AlN纳米层与金属AlCN纳米层交替涂覆；(3)金属氮化物纳米层与金属AlN纳米层及金

属AlCN纳米层交替涂覆。涂层过程中均可添加其他金属元素（如钛、铌、铪、钒、钽、锆或铬），以进一步提高涂层的硬度、化学稳定性、韧性和抗氧化性能。研究表明，对于 TiN/AlN纳米多涂层，当层厚为2～4nm时，AlN呈现立方NaCl结构，涂层显微硬度达到30～40GPa，其抗氧化温度达到1000℃，采用等离子增强化学气相沉积制得的AlN/TiAlN纳米多层膜具有高硬度、高附着力和高耐磨性。

4 超硬材料涂层

4.1 金刚石、类金刚石（DLC）涂层

金刚石涂层是新型刀具涂层材料之一。它利用低压化学气相沉积技术在硬质合金基体上生长出一层由多晶组成的金刚石膜，用其加工硅铝合金和铜合金等有色金属、玻璃纤维等工程材料及硬质合金等材料，刀具寿命是普通硬质合金刀具的50～100倍。金刚石涂层采用了许多金刚石合成技术，最普通的是热丝法、微波等离子法和DC等离子喷射法。通过改进涂层方法和涂层的粘结，已生产出金刚石涂层刀具，并在工业上得到了应用。

近年来，美国、日本和瑞典等国家都已相继推出了金刚石涂层的丝锥、铰刀、铣刀以及用于加工印刷线路板上的小孔金刚石涂层硬质合金钻头及各种可转位刀片，如瑞典Sandvik公司的 CD1810和美国Kennametal公司的KCD25等牌号产品。美国Turchan公司开发的一种激光等离子体沉积金刚石的新工艺，用此法沉积金刚石，由于等离子场包围整个刀具，刀具上的涂层均匀，其沉积速度比常规CVD法快1000倍。此法所成的金刚石涂层与基体之间产生真正的冶金结合，涂层强度高，可防止涂层脱落、龟裂和裂纹等缺陷。CemeCon公司具有特色的CVD金刚石涂层技术，2000年建立生产线，使金刚石涂层技术达到工业化生产水平，其技术含量高，可以批量生产金刚石涂层。

经过多年的研究表明：由于类金刚石涂层的内应力高、热稳定性差及与黑色金属间的触媒效应使

SP3结构向SP2转变等缺点，决定了它目前只能应用于加工有色金属，因而限制了它在机加工方面的进一步应用。但是近年来的研究表明，以SP2结构为主的类金刚石涂层(也称为类石墨涂层)硬度也可达到20～40GPa，却不存在与黑色金属起触媒效应的问题，其摩擦系数很低又有很好的抗湿性，切削时可以用冷却剂也可用于干切削，其寿命比无涂层刀有成倍的提高，可以加工钢铁材料，因而引起了涂层公司、刀具厂家的极大兴趣。假以时日，这种新型的类金刚石涂层将会在切削领域得到广泛的应用[3 ]。

4.2 立方氮化硼(CBN)涂层

CBN 是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬材料，它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性（如超高硬度，仅次于金刚石，高耐磨性，低摩擦系数，低热膨胀系数等）外，同时还具有一些优于金刚石的特性。CBN对于铁、钢和氧化环境具有化学惰性，在氧化时形成一薄层氧化硼，此氧化物为涂层提供了化学稳定性，因此它在加工硬的铁材、灰铸铁时耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等,并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的硅铝合金等难加工材料[4 ]。自1987年Inagawa等成功地制备了出纯的CBN涂层以来，在国际上掀起了CBN硬质涂层的研究热潮。低压气相合成CBN涂层的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化学输运PCVD，热丝辅助加热PCVD，ECR－CVD等；PVD则有反应离子束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离子束辅助沉积法等。研究结果表明：在合成CBN相、对硬质合金基体的良好粘结和合适的硬度等方面已取得了进展，目前沉积在硬质合金上的立方氮化硼最大仅为0.2～0.5μm，若想达到商品化，则必须采用可靠的技术来沉积高纯的经济的CBN涂层，其厚度应在3～5μm，并在实际金属切削加工中证实其效果。

5软涂层

软涂层刀具的研究开发为提高刀具性能开拓了新途径，为新型涂层刀具的设计提供了新思路和新

的研究领域。软涂层刀具在特殊使用条件下，刀具表面固体润滑膜会转移到工件材料表面，形成转移膜，使切削过程中的摩擦发生在转移膜与润滑膜之间，因而具有优良的摩擦学特性，如：摩擦系数低、承载极限高、高温下化学稳定性好、能适应1000℃以上的工作温度，适于在高温、大载荷等特殊环境条件下使用，并可应用于干切削，能降低加工成本等，具有重大的理论和实际意义，具有广阔应用前景。软涂层材料主要有MoS2基的软涂层材料及WC/C中硬型滑性涂层材料[5 ]。前者能大大改善刀具的切入性能，并防止积屑瘤的产生；后者切入时摩擦因数虽比MoS2涂层稍高，但它的抗磨损性能较好。软涂层可单独使用，也可先在刀具表面上进行硬质涂层，再在其上涂MoS2软涂层，无论是切钢或加工高硅铝合金都有好的效果。

6 刀具涂层技术的发展方向

(1) 涂层材料的不断创新。目前涂层材料已从TiN、TiCN、TiAlN 发展到现在的TiSiN 、TiSiCN 、TiAlSiN 、AlCrN、AlCrSiN、TiBN[6 ] 、ZrN 、CrN 、Al2O3 等几十种涂层材料,为了满足切削加工中多样化的需求,还会继续开发出新的涂层材料。

(2) 多层涂层、梯度涂层、纳米涂层及纳米复合涂层将是未来刀具涂层的发展方向。

(3) 喷丸、抛光等涂层前后处理工艺将得到更多的重视,以此来降低涂层的残留应力,提高涂层的表面光洁度,提高加工效率。

7 结语

刀具涂层技术较好解决了刀具强度和韧性之间的矛盾，通过优化涂层的晶格结构、添加合金元素及多层涂层组合来提高涂层的强韧性，以适应不同的切削条件，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。目前研究的热点是开发具有纳米多层结构和纳米复合涂层新型刀具涂层材料，具有特殊性能的刀具软

涂层也将成为刀具涂层材料新的研究领域.

参考文献

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