TiAlN涂层刀具的发展与应用

刀具涂层技术介绍刀具涂层技术是一种在刀具表面涂覆一层特殊材料的技术，旨在提高刀具的硬度、耐磨性、热稳定性和化学稳定性等性能。

刀具涂层技术的发展与高速切削、高效加工和先进制造技术的进步密切相关。

本文将对刀具涂层技术的原理、种类以及应用进行介绍。

1.碳化物涂层：如碳化钛(TiC)、碳化钽(TaC)等。

这些涂层具有极高的硬度和耐磨性，适用于高速切削和重载切削。

2.氮化物涂层：如氮化钨(WN)、氮化钛(TiN)、氮化铝(AlN)等。

这些涂层具有较高的硬度和化学稳定性，广泛应用于切削、修磨和打孔等工艺。

3.金属涂层：如钛合金(TiAlN)、氧化锆(ZrO2)等。

这些涂层具有较高的热稳定性和抗氧化性能，适用于高温切削和挤压。

4.金刚石涂层：金刚石涂层具有超高硬度和低摩擦系数，能够有效提高刀具的寿命和切削质量。

但由于金刚石涂层的制备技术复杂和成本较高，目前还处于实验阶段。

1.金属切削：刀具涂层技术在金属切削领域得到广泛应用，可以提高切削效率和工件表面质量。

例如，在高速铣削中，采用碳化钛涂层的刀具可以显著提高切削速度和切削质量。

2.木材加工：刀具涂层技术在木材加工领域也有一定的应用。

通过涂覆特殊涂层，可以延长刀具的使用寿命，并提高加工效率。

例如，在木材切削中，采用氮化钛涂层的刀具可有效降低磨损和摩擦。

3.非金属材料加工：刀具涂层技术在陶瓷、塑料、复合材料等非金属材料加工领域也得到了广泛应用。

通过涂层技术，可以改善切削表面的光洁度，并提高工件的精度和质量。

4.汽车零部件加工：在汽车零部件加工领域，刀具涂层技术可以有效提高零部件的加工精度和耐用性，适用于发动机气门、曲轴、轴承等零部件的加工。

刀具涂层技术的发展为现代制造业带来了巨大的效益。

随着材料科学、纳米技术和涂层技术的进一步发展，刀具涂层技术的性能和应用范围将会不断扩大。

预计未来刀具涂层技术将更加智能化和环保化，能够实现刀具表面的自动修复和自动调节。

这将进一步提高切削效率和加工质量，推动现代制造业的发展。

TiAlN纳米复合涂层的技术进展毛延发1　唐为国2　刘金良2　韩培刚3　1西安建筑科技大学　2兰州大学　3深圳市广大纳米工程技术有限公司摘　要:综合介绍了国内外TiAlN涂层技术的发展现状和TiAlN涂层的性能特点、PCD制备工艺以及今后的发展趋势和研究方向;重点评述了高Al含量TiAlN超硬涂层、异质多层膜纳米复合TiAlN涂层和多元合金增强涂层技术的最新进展;指出了TiAl N涂层刀具在精密模具和汽车零部件加工中的重要作用。

关键词:TiAlN,　超硬涂层,　纳米复合涂层,　PVD工艺,　刀具,　技术进展Technology Development of TiAlN Naro-composite CoatingsMao Yanfa　Tang Weiguo　Liu Jinliang　et alA bstract:The developing status of TiAlN coatin g technology in home and abroad and TiAlN coating's performances,PVD process,technique developing trends and study aspects are introduced s yntheticall y.The updated develop ment of TiAl N superhard coatings with higher Al content,naro-compos ite TiAl N coatings with heterogeneity multi-films and the multi-alloy-reinforced coating technology are reviewed emphaticall y.The important roles of TiAl N coated cutting tools on the precis ion mold and die industry and the manufacturing of auto parts are point out.Keywords:TiAlN,　superhard coating,　naro-composite coating,　PVD process,　cutting tool,　technology develop ment 1　引言在过去二十多年中,采用物理气相沉积(PVD)涂层技术对金属材料进行表面改性已取得了很好的使用效果,TiN硬质涂层在工具行业的广泛应用就是明显的例子。

国内外切削刀具涂层技术发展综述引言切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。

采用涂层技术可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。

因此，涂层技术与材料、切削加工工艺一起并称为切削刀具制造领域的三大关键技术。

为满足现代机械加工对高效率、高精度、高可靠性的要求，世界各国制造业对涂层技术的发展及其在刀具制造中的应用日益重视。

我国的刀具涂层技术经过多年发展，目前正处于关键时期，即原有技术已不能满足切削加工日益提高的要求，国内各大工具厂的涂层设备也到了必须更新换代的时期。

因此，充分了解国内外刀具涂层技术的现状及发展趋势，瞄准国际涂层技术先进水平，有计划、按步骤地发展刀具涂层技术（尤其是PVD技术），对于提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

2．国外刀具涂层技术的现状及发展趋势刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）技术和物理气相沉积（PVD）技术两大类，分别评述如下。

2.1 国外CVD技术的发展二十世纪六十年代以来，CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。

由于CVD工艺气相沉积所需金属源的制备相对容易，可实现TiN、TiC、TiCN、TiBN、TiB2、Al2O3等单层及多元多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合强度较高，薄膜厚度可达7～9μm，因此到八十年代中后期，美国已有85%的硬质合金工具采用了表面涂层处理，其中CVD涂层占到99%；到九十年代中期，CVD 涂层硬质合金刀片在涂层硬质合金刀具中仍占80%以上。

尽管CVD涂层具有很好的耐磨性，但CVD工艺亦有其先天缺陷：一是工艺处理温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；二是薄膜内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；三是CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染，与目前大力提倡的绿色制造观念相抵触，因此自九十年代中期以来，高温CVD 技术的发展和应用受到一定制约。

八十年代末，Krupp.Widia开发的低温化学气相沉积（PCVD）技术达到了实用水平，其工艺处理温度已降至450～650℃，有效抑制了η相的产生，可用于螺纹刀具、铣刀、模具的TiN、TiCN、TiC等涂层，但迄今为止，PCVD工艺在刀具涂层领域的应用并不广泛。

刀具涂层技术在金属切削中的应用刀具涂层技术在金属切削中扮演着重要的角色。

它通过在刀具表面形成一层涂层，提高刀具的硬度、耐磨性和切削性能，从而延长刀具的使用寿命和提高切削效率。

本文将探讨刀具涂层技术的原理、种类及其在金属切削中的应用。

刀具涂层技术的原理主要包括两个方面：一是通过涂层改变刀具表面的化学成分和结构，使其具有更高的硬度和抗磨性；二是通过涂层改变刀具表面与金属工件的摩擦系数和热传导能力，减少切削时的摩擦热和切削力。

刀具涂层主要使用物质包括碳化物、氮化物、氧化物和金属等。

根据涂层材料的不同，刀具涂层可以分为硬质涂层和润滑涂层两大类。

硬质涂层主要包括碳化物涂层、氮化物涂层和金属涂层等，它们的主要功能是提高刀具硬度和耐磨性。

碳化物涂层如碳化钛涂层（TiC）和碳化钼涂层（MoC）具有很高的硬度，适用于高速切削；氮化物涂层如氮化钨涂层（WN）和氮化钛铝涂层（TiAlN）具有优异的耐磨性，适用于大批量生产；金属涂层如钛涂层（Ti）和铬涂层（Cr）则可以提供较好的切削性能。

润滑涂层主要包括润滑油膜涂层和固体润滑涂层，其目的是减少切削时的摩擦和热量，延长刀具寿命。

润滑油膜涂层如含铝的石墨性复合涂层（Al-graphite）和含硼的钢基涂层（B-coated steel）具有良好的润滑性能；固体润滑涂层如涂有自润滑材料的碳化硅涂层（SiC）在高温和高速切削时具有较好的效果。

在金属切削中，刀具涂层技术的应用可以带来多方面的好处。

首先，它可以显著提高刀具的硬度和耐磨性，使刀具更加耐用。

硬质涂层可以形成一个坚硬的表面层，提高刀具的抗磨性，减少刀具磨损的速度，从而延长刀具的使用寿命。

其次，刀具涂层可以减少切削时的摩擦和热量，降低切削力和切削温度，避免切削时的粘刀、焊接和割裂等问题。

这可以保证刀具和工件的表面质量，提高加工精度。

此外，刀具涂层还可以提高切屑形态和切屑的排出，减少切削时的切削阻力，提高切削效率。

刀具涂层技术的应用在众多金属切削领域中都有广泛的运用。

物理气相沉积TiAlN涂层的研究进展*曹华伟张程煜乔生儒曹晓雨（西北工业大学超高温结构复合材料国防科技重点实验室，西安710072）摘要：本文概述了物理气相沉积TiAlN涂层的研究现状及发展趋势，详细分析了制备方法、Al元素含量、N2流量、基体偏压、温度以及其他元素对TiAlN涂层的结构、硬度、高温抗氧化性和耐腐蚀性等性能的影响。

目前制备的TiAlN涂层存在残余应力较大，表面液滴数量较多和涂层致密度差等问题。

为进一步促进TiAlN涂层的应用，今后还需探索该涂层的制备方法，优化其制备工艺。

多元纳米复合涂层和超点阵多层涂层是两个具有潜力的发展方向。

关键词：TiAlN涂层制备方法晶体结构硬度高温抗氧化性综述Recent progresses in physical vapor deposited TiAlN coating CAO Huawei ZHANG Chengyu QIAO Shenru CAO Xiaoyu(National Key Laboratory of Thermostructure Composite Materials, Northwestern PolytechnicalUniversity, Xi′an 710072, China)Abstract: The research and development of physical vapor deposited TiAlN coatings are summarized in the paper. The preparation methods, aluminum content, nitrogen flow rate, substrate bias, temperature and alloying elements had significant effects on the properties of TiAlN coatings, including crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance and corrosion resistance. Although the coating was used in many applications, there were many drawbacks which limit its performance, such as high residual stress, formation of large droplets and poor density. For further application, new preparation method should be explored. Meanwhile, the optimization of the processing technology should be made. It is potential to develop multiple nano-composite coating and superlattice multi-layer coating in the future.Key words: TiAlN coatings, preparation methods, crystal structure, hardness, high temperature oxidation resistance, review0前言*国家自然科学基金面上项目(50702045)；高等学校博士学科点专项科研基金(20070699007)和新世纪优秀人才支持计划(NCET-08-0460)第一作者：曹华伟(1986~)，河南周口，男，西北工业大学超高温结构复合材料实验室研究生、主要研究多弧离子镀TiAlN涂层的结构与性能。

TiA1N镀层硬质合金结构及性能研究摘要：本文研究了TiAlN镀层硬质合金的结构和性能。

通过采用物理气相沉积技术，在WC-Co硬质合金表面沉积了TiAlN涂层。

通过X射线衍射仪（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对涂层样品进行表征，发现涂层具有沉积致密、均匀和无裂纹等特点。

研究了涂层的硬度、附着力和磨损性能，并与未镀层的样品进行对比。

结果表明，TiAlN镀层硬质合金具有较高的硬度和附着力，同时具有良好的磨损性能，可以显著提高硬质合金刀具的使用寿命。

关键词：TiAlN涂层，硬质合金，物理气相沉积，硬度，附着力，磨损性能正文：引言硬质合金是一种重要的刀具材料，通常用于加工高硬度材料、粉末冶金工件等。

但是，硬质合金具有较低的耐磨性和切削性能，限制了其在实际生产中的应用。

因此，研究如何提高硬质合金的性能成为了一个重要的研究领域。

涂层技术是一种有效的方法，可以通过在硬质合金表面沉积不同的材料，改善其表面性能。

实验设计为了研究TiAlN涂层对硬质合金性能的影响，我们采用物理气相沉积技术，在WC-Co硬质合金表面沉积了不同厚度的TiAlN涂层（厚度范围为1~5μm）。

沉积过程采用Ar/N2气体混合物，沉积压力为2.5×10^-3Pa，沉积速率为0.5μm/min。

结果与讨论通过XRD测试，我们发现TiAlN涂层主要由TiN和AlN两种物质组成，且涂层具有良好的结晶性和Oriented growth性质。

如图1所示，TiAlN涂层沉积后，具有沉积致密、均匀和无裂纹的表面结构。

同时，我们研究了涂层硬度和附着力的性能。

结果表明，涂层硬度随着厚度的增加而增加，当厚度为5μm时，涂层硬度达到32.8GPa。

涂层的附着力也随着涂层厚度的增加而增加，当涂层厚度为5μm时，涂层的附着力可以达到150N。

最后，我们研究了涂层的磨损性能，并与未涂层的样品进行比较。

结果表明，涂层样品具有更长的使用寿命和更好的磨损性能，如图2所示。

不断发展的刀具涂层技术各种新型刀具涂层正在不断流行，其特点是针对特定加工需求，采用多层涂层和新的涂层材料，使加工性能最优化。

位于纽约阿默斯特的表面工程涂层协会（SECA）主席、Teeter咨询公司执行董事Fred Teeter表示，“任何存在磨损的地方都可以考虑采用薄膜陶瓷涂层。

”尽管涂层在耐磨零件（如涡轮发动机零件）上的应用在不断增长，但涂层在切削刀具上的应用仍然占了绝大部分。

涂层的确也证明了自身的价值，根据SECA的统计，与非涂层刀具相比，涂层刀具的寿命可以提高2－10倍。

最高工作温度和硬度不断提高的新涂层还在不断涌现，涂层的一些特定性能（如耐磨性、韧性等）也在不断改进。

几十年前，氮化钛（TiN）涂层曾经是薄膜涂层的首选，虽然这种大家熟悉的金黄色涂层如今还被经常使用，但各种新型涂层早已层出不穷。

多层涂层的组合应用可以实现性能的均衡化，这是单层涂层难以做到的。

随着新型薄膜涂层的不断涌现，现在，许多工程师可能面临的问题是可供选择的涂层种类太多（而不是太少）。

加拿大Eifeler涂层服务公司总经理Mahesh Sukumaran指出，“在过去5－10年里，制备时间的缩短使涂层成本大幅降低。

此外，使用多层涂层可以充分发挥不同涂层各自的优势，从而降低对润滑剂的需求。

”在评价刀具涂层的总体发展趋势时，他解释说，目前仍有许多用户向他咨询TiN涂层的情况，他们不清楚现在已有许多新的涂层可供选择。

Eifeler公司可以提供9种不同的PVD涂层产品（图1），其中既有标准的TiN涂层，也包括ZrN、TiCN和AlTiSiN涂层。

Exxtral Plus是最受欢迎的涂层之一，这是一种由AlTiN＋AlTiCrN组成的多层涂层，适合用于硬质合金立铣刀，能以半干切削或干切削方式高速加工淬硬钢。

该涂层的耐热阈值可达800℃，维氏硬度为HV3500±500。

Sukumaran指出，涂层技术面临的主要挑战是提高某些涂层的粘附性能以及进一步减小涂层厚度。

刀具涂层技术的应用刀具涂层技术的应用引言：刀具涂层技术是一种在刀具表面附加一层薄膜的技术，以增加刀具的寿命、提高切削性能和减少切削力。

它在制造业中被广泛应用。

本文将深入探讨刀具涂层技术的原理、常见的应用领域以及未来的发展趋势。

一、刀具涂层技术的原理刀具涂层技术的原理是在刀具表面形成一层涂层，这个涂层可以提供刀具的耐磨性、高速切削能力和抗热性能。

常见的涂层材料包括碳化物、氧化物和氮化物。

涂层可以通过物理蒸发沉积、化学气相沉积和物理气相沉积等方法制备。

二、刀具涂层技术的应用领域1. 汽车制造业：在汽车制造业中，刀具涂层技术可以应用于汽车零部件的加工过程中，例如发动机零部件的铣削、钻孔和车削等。

刀具涂层技术可以提高刀具的寿命，减少生产成本，并提高生产效率。

2. 航空航天工业：在航空航天工业中，刀具涂层技术可以应用于飞机零部件的加工和维修过程中。

刀具涂层技术可以提高刀具的高温抗氧化性能和抗磨损性能，保证零部件的质量和安全性。

3. 电子制造业：在电子制造业中，刀具涂层技术可以应用于半导体和电子元件的加工过程中。

刀具涂层技术可以提高切削质量，减少切削力和加工成本，提高生产效率。

4. 刀具制造业：在刀具制造业中，刀具涂层技术可以应用于刀具的制造过程中。

刀具涂层技术可以提高刀具的硬度、耐磨性和耐蚀性，延长刀具的使用寿命。

三、刀具涂层技术的未来发展趋势1. 纳米涂层技术的应用：随着纳米材料的发展和应用，纳米涂层技术将成为刀具涂层技术的重要发展方向。

纳米涂层可以提供更高的硬度、更好的耐磨性和更低的摩擦系数。

2. 多功能涂层技术的发展：多功能涂层技术是指在刀具表面涂层上添加功能性材料，以实现多种性能的综合应用。

未来，多功能涂层技术将成为刀具涂层技术的主要发展方向，以满足不同应用领域的需求。

3. 智能涂层技术的应用：智能涂层技术是指通过在刀具表面涂层上添加传感器或微电子设备，实现对刀具状况的实时监测和控制。

智能涂层技术将提高刀具的自动化程度和可靠性，减少刀具的维护和更换。

刀具涂层材料的分类及研究进展摘要：采用涂层技术可有效提高切削刀具的使用寿命,使刀具获得优良的综合机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。

我国的刀具涂层材料经过多年发展，目前正处于关键时期，充分了解国内外刀具涂层材料的现状及发展趋势，有计划、按步骤地发展刀具涂层材料，对提高我国切削刀具制造水平具有重要意义。

关键词：涂层刀具硬度膜Progress in the coating materials for tools and their classificationAbstract：Coating technology can be used to improve the service life of cutting tools effectively and enable the cutting tools to obtain excellent and comprehensive mechanical properties that will improve machining efficiency significantly . After years of development current coating materials for cutting tools is at a crucial period in China, full understanding on present status and development trend of tool coating materials both at home and abroad , and a planned step-by-step development of the coating materials for cutting tools will be of far reaching importance for improvement of our level in cutting tool manufacturing.Key Words: Coating ，Cutting Tool ，Hardness ， Film数控技术的发展离不开高寿命的切削工具——刀具。

涂层刀具的出现是刀具发展史上的重大突破，它具有良好的切削性能，而且涂层材料作为化学屏障和热屏障，减小了月牙洼磨损，耐磨性良好。

与未涂层刀具相比，涂层刀具加工精度提高0．5～1级，刀具消耗费用降低20％～50％，耐磨性提高2～10倍，切削速度提高25％～70％，使用寿命延长3～5倍。

多年来，困内外涂层刀具的研究主要集中在TiN涂层上，并取得了一定的成效，目前TiC、TiN等单涂层刀具已经大量产业化。

为了进一步提高涂层刀具的使用性能，以（Ti，Al）N 涂层为代表的多元复合涂层刀具近10年得到了广泛的应用。

目前，多元多层复合涂层刀具的发展在国内尚属于起步阶段，以期获得更完善的综合性能。

1 单涂层刀具的切削性能1．1 TiC系涂层刀具TiC涂层刀具的优越性表现在高的切削速度和优良的抗机械磨损、磨料磨损性能上。

用涂层刀具车削中碳钢时，其后刀面及前刀面磨损速度分别只有未涂层刀具的l／10及1／l00，具有良好的抗月牙洼磨损能力；在耐磨性相同时，其切削钢的速度可提高50％～l00％，有时可高达2～3倍；铣削45#钢时，其刀具耐磨性比硬质合金铣刀高3倍，切削效率可提高50％。

TiC涂层刀具具有较小的切削力和较低的切削温度，应用温度为300℃左右。

但是，TiC涂层脆性大，不耐冲击。

在沉积TiC涂层时，基体与涂层之间生成脆性的中间层η相（Co3 W3C）。

这是由于C的不足，WC置换生成W2C，它与WC的粘合剂Co结合生成η相。

η相过厚会造成TiC涂层的破碎。

实验证明，η相控制在1～2μm时刀具耐磨性高，涂层不会产生宏观裂纹或脱落现象。

TiC涂层刀具适合在中速或高速条件下使用。

这是由于在高速高温下，TiC涂层刀具具有良好的抗扩散和抗氧化性能；而在低速低温下，刀具磨损以粘结磨损和磨料磨损为主，涂层刀具表面脆性较大，抗拉强度低，而且还常常存在残余应力，容易产生剥落和崩刃现象，刀具耐磨性甚至还低于未涂层的刀具。

1．2 TiN系涂层刀具TiN涂层月具是第一种产、业化、并在刀具行业得到广泛应用的硬质涂层刀具。

刀具涂层在各行各业中，刀具扮演着一个重要的角色。

无论是在制造业还是在日常生活中，刀具的质量和性能都是至关重要的。

为了提高刀具的使用寿命和切削效率，刀具涂层技术应运而生。

刀具涂层是将特定材料涂覆在刀具表面的一种技术，通过改善刀具表面的硬度、耐磨性和耐腐蚀性，以提高切削性能和使用寿命。

刀具涂层的目的是增加刀具表面的硬度。

刀具在切削过程中会受到很大的摩擦和冲击力，如果刀具表面硬度不够，就容易磨损和划伤，从而降低刀具的使用寿命。

而通过涂覆特定材料，如碳化钨（WC）和氮化钛（TiN），可以显著增加刀具表面的硬度，提高刀具的耐磨性和切削效率。

另一个刀具涂层的作用是增强刀具的耐腐蚀性能。

在某些工作环境中，刀具可能会接触到腐蚀性物质，如酸性液体或盐水。

如果刀具的表面没有受到有效的保护，就会被腐蚀和锈蚀，导致刀具失效。

通过涂覆防腐蚀材料，如钛铝氮化物（TiAlN），可以有效地防止刀具受到腐蚀，延长刀具的使用寿命。

此外，刀具涂层还可以改善刀具的润滑性能。

涂层表面经过特殊处理可以降低刀具与工件之间的摩擦系数，减少切削时产生的摩擦热，从而降低刀具的温度和磨损。

这种润滑作用可以显著提高刀具的切削效率和精度。

在选择刀具涂层时，需要考虑不同的工作条件和材料要求。

不同的涂层适用于不同的切削材料和应用环境。

例如，对于高硬度的切削材料，如钢和铁合金，通常选择碳化钨涂层，因为它具有出色的硬度和耐磨性。

而对于耐高温的切削材料，如不锈钢和钛合金，钛铝氮化物涂层是更好的选择，因为它具有良好的耐腐蚀性和高温稳定性。

刀具涂层技术的发展也离不开先进的涂层工艺。

目前，常见的刀具涂层工艺包括物理气相沉积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。

PVD涂层是通过将固态材料加热至高温并蒸发，然后沉积在刀具表面上。

CVD涂层则是在刀具表面通过化学反应生成涂层材料。

这些先进的涂层工艺使得刀具涂层更加均匀、致密和附着力强。

总的来说，刀具涂层技术的出现和发展大大提高了刀具的质量和性能。