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刀具涂层的制备与应用
一、引言
高速切削刀具技术是实现高速加工的关键技术之一，而刀具材料的高温性能是影响高速切削刀具技术发展的重中之重。由于在高速切削加工中所产生的切削热对刀具的磨损比常规切削高得多，因此对刀具材料有更高的要求：高硬度、高强度和耐磨性；高的韧性和抗冲击能力；高的红硬性和化学稳定性；抗热冲击能力。
刀具表面涂层技术是应市场需求而发展起来的一种表面改性技术，自上世纪60年代出现以来，该项技术在金属切削刀具制造业内得到了极为广泛的应用。尤其是高速切削加工技术出现之后，涂层技术更是得到了迅猛的发展与应用，并成为高速切削刀具制造的关键技术之一。该项技术通过化学或物理的方法在刀具表面形成某种薄膜，使切削刀具获得优良的综合切削性能，从而满足高速切削加工的要求。归纳起来切削刀具表面涂层技术具有以下特点：
1. 采用涂层技术可在不降低刀具强度的条件下，大幅度地提高刀具表面硬度，目前所能达到的硬度已接近100GPa；
2. 随着涂层技术的飞速发展，薄膜的化学稳定性及高温抗氧化性更加突出，从而使高速切削加工成为可能；
3. 润滑薄膜具有良好的固相润滑性能，可有效地改善加工质量，也适合于干式切削加工；
4. 涂层技术作为刀具制造的最终工序，对刀具精度几乎没有影响，并可进行重复涂层工艺。
涂层切削刀具所带来的益处：可大幅度提高切削刀具寿命；有效地提高切削加工效率；明显提高被加工工件的表面质量；有效地减少刀具材料的消耗，降低加工成本；减少冷却液的使用，降低成本，利于环境保护[1]。
二、涂层工艺
刀具涂层技术通常可分为化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）两大类。
1．CVD技术被广泛应用于硬质合金可转位刀具的表面处理。CVD可实现单成份单层及多成份多层复合涂层的沉积，涂层与基体结合强度较高，薄膜厚度较厚，可达7～9μm，具有很好的耐磨性。但CVD工艺温度高，易造成刀具材料抗弯强度下降；涂层内部呈拉应力状态，易导致刀具使用时产生微裂纹；同时，CVD工艺排放的废气、废液会造成较大环境污染。为解决CVD工艺温度高的问题，低温化学气相沉积（PCVD），中温化学气相沉积（MT-CVD）技术相继开发并投入实用。目前，CVD（包括MT-CVD）技术主要用于硬质合金可转位刀片的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工[2-3]。
2．PVD技术主要应用于整体硬质合金刀具和高速钢刀具的表面处理。与CVD工艺相比，PVD工艺温度低（最低可低至80℃），在600℃以下时对刀具材料的抗弯强度基本无影响；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。PVD涂层技术已普遍应用于硬质合金钻头、铣刀、铰刀、丝锥、异形刀具、焊接刀具等的涂层处理。
物理气相沉积（PVD）在工艺上主要有（1）真空阴极弧物理蒸发（2）真空磁控离子溅射两种方式。
（1）阴极弧物理蒸发（ARC） 真空阴极弧物理蒸发过程包括将高电流，低电压的电弧激发于靶材之上，并产生持续的金属离子。被离化的金属离子以60～100eV平均能量蒸发出来形成高度激发的离子束，在含有惰性气体或反应气体的真空环境下沉积在被镀工件表面。真空阴极弧物理蒸发靶材的离化率在90%左右，所以与真空磁控离子溅射相比，沉积薄膜具有更高的硬度和更好的结合力。但由于金属离化过程非常激烈，会产生较多的有害杂质颗粒，涂层表面较为粗糙。
（2）磁控离子溅射（SPUTTERING） 真空磁控离子溅射过程中，氩离子被被加速打在加有负电压的阴极（靶材）上。离子与阴极的碰撞使得靶材被溅射出带有平均能量4～6eV的金属离子。这些金属离子沉积在放于靶前方的被镀工件上，形成涂层薄膜。由于金属离子能量较低，涂层的结合力与硬度也相应较真空阴极弧物理蒸发方式差一些，但由于其表面质量优异被广泛应用于有表面功能性和装饰性的涂层领域中[4]。
三、涂层的应用
随着PVD技术的迅速发展，在实际应用中涂层的合理选择愈加显得重要。目前涂层薄膜不仅要解决硬度问题，其韧性、抗氧化性、表面粗糙度及润滑性等都需要根据不同的切削条件进行综合考虑。从实际的切削加工状况来看，仅凭涂层成分进行选择，在实际应用中已难以获取最佳经济效益。本文依据上述两种涂层分类，浅析实际切削加工中PVD涂层薄膜的选用。
1. 车削加工
车削加工的特点是连续、稳定、切削力及切削温度变化小，相对而言切削温度较高，因此在选择涂层类别时，涂层的硬度和高温抗氧化性是重点考虑因素[5]。
a. 加工钢材时可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及AlTiN薄膜，这两种薄膜都具有极高的表面硬度，且红硬性良好，使用温度可达到1100℃。
b. 铸铁加工通常也可选择上述2种薄膜。
c. 铝及铝合金加工的特点是熔点低，在切削加工中极易形成积屑瘤，且氧化了的切屑可形成Al2O3，导致摩擦作用的增强。当硅含量在4%～13%之间时，硅在铝内形成固溶体＋共晶体组织，这种脆性、针状的片状硅的夹杂，在切削过程中，具有磨料作用，导致刀具早期失效；而当Si含量进一步提高时粗大的组织使切削性能进一步下降。如果采用干式切削，可加剧这种磨损的发展，加工这类有色金属金刚石涂层刀具是最佳的选择方案之一，但考虑到可行性及经济性，对于PVD而言，涂层应具有高的硬度及优异的润滑性。当Si 含量小于12%时，可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜；而当Si含量大于12%时，则可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或单层的TiCN 薄膜。
d. 高强度合金的加工具有变形大、加工硬化大、切削温度高的特点，此外由于该类合金中含有大量的碳化物、氮化物等，其显微硬度可达2000 ～3000HV。在选择用于此类涂层时，其显微硬度、高温性能、润滑性是应着重考虑的因素。通常可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)或TiAl-CN+CBC 复合薄膜。
e. 对于铜及其合金而言，涂层极具针对性，而与加工方式关联性较低。紫铜塑性、韧性大，易粘屑，因此需要有效地解决排屑问题，一般选用CrN膜；而对于铜合金(黄铜、青铜)，由于材料强度的提高，通常采用单层TiCN 或多层TiCN 薄膜。
f. 塑胶材料的加工特性是导热性差、磨料性、回弹性等，且大多采用干式切削加工方式，因此薄膜的显微硬度及热绝缘性是重点考虑的因素，除了CVD 的金刚石薄膜外，也可选用多层TiCN薄膜[6-7]。
2、钻削加工 钻削加工也属于连续加工切削方式，其涂层种类的选择基本与车削加工类似。但所需注意的是通孔加工存在载荷的突变，因此所选择薄膜应具有良好的韧性。如在普通钢材的加工中，可选用多层膜；若在一般的切削条件下，单层的TiN薄膜也会获得良好的应用效果。
3、铣削加工
在高速加工领域，铣削加工占有极其重要的地位，而PVD技术的发展也从整体铣刀的涂层扩展到可转位刀片范围，并且已取得了突破性的进展。铣削加工是一种断续加工方式，尤其在高速加工条件下，刀具受载状态极其复杂，刀具因不断受到大小、位置不同的机械冲击和热冲击载荷作用，可引发薄膜的破裂、脱落等现象的发生，从而导致刀具的早期失效。
g. 加工普通钢材时可选用TiCN、纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)、AlCrN薄膜，这三种薄膜都具有较好的韧性。
h. 与普通钢材相比，铸铁的铣削加工通常导致刀具磨料磨损，涂层刀具的表面硬度更为重要，因此可选择纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)、AlTiN、AlCrN薄膜。
i. 对于铝及铝合金的加工，当Si 含量小于12%时，可选择多层TiCN+MoS2复合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜；而当Si含量大于12% 时，则可选用纳米复合结构薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/-Si3N4)及多层TiCN 薄膜。
j. 高强度合金的铣削加工通常可选用多层TiCN+MoS2、梯度TiAlCN+CBC、AlCrN 薄膜[8]。
4、螺纹加工
螺纹加工也一种连续切削方式，相对于普通车削加工，这种加工属于成型加工模式，切削速度相对较低，不易断屑，且对刀具的几何尺寸有严格要求，刀具刃口微小的缺陷也可导致工件的报废。因此薄膜的致密性、韧性以及表面的润滑性是首要考虑的因素。
k. 加工普通钢和高强度合金时可选用TiCN+MoS2复合薄膜、TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN纳米多层薄膜，这三种薄膜都具有良好的韧性及优异的润滑性。
l. 与普通钢材相比，铸铁的螺纹加工通常以磨料磨损为主，薄膜的致密性、韧性、硬度同等重要，因此常可选择TiAlCN 及TiCN 多层薄膜。
m. 对于铝及铝合金的加工，当Si含量小于12%时，可选择CrN+CBC及TiCN多层薄膜；而当Si含量大于12%时，则可选择TiAlCN+CBC 及TiCN多层薄膜[9]。
四、结语
近年来刀具表面涂层技术发展的特点是迅速及多元化。经过几年的历程，TiN涂层一统天下的情况已不复存在，尤其在硬质合金刀具应用领域，TiAlN涂层的比例已超过TiN，而其它种类涂层也有增加趋势。显然薄膜技术的发展不断地为切削加工提供更有效、更经济的手段，随着该项技术的飞速发展，各类超显微结构、超硬度、特殊功能薄膜的出现必将促进切削加工方案的进一步优化。对于使用者而言，充分了解各类涂层及其所适用的应用范围愈加显得重要。由于篇幅所限，本文仅针对各类涂层所适合的加工方式及材料进行了论述，而实际应用中特殊材料(如硬度达到50HRC以上)、切削速度、冷却方式等条件的不同，对涂层刀具的选用也都会产生重要的影响。
参考文献
[1] 周武艺,唐绍裘,刘文超. 金属基高温耐磨陶瓷涂层的研制及耐磨性能[J]. 佛山陶瓷,2002,12(6):13-15.
[2] 刘瑞娟,谢玉彬. 镁铝质陶瓷涂层制备工艺与性能研究[J]. 科技资讯,2012,10(1):92.
[3] 刘峰,于明涛,万隆. 金属基高温耐磨陶瓷涂层的制备与研究[J].中国陶瓷，2008,44(3):58-60.
[4] Zhou X B,DeHosson JTM.Areaction coating on aluminum a-lloy by laser
processing[J].Sci.Metall,1993,(28):219.
[5] Sture H,Per H.Tribology characterization of thin,Hard coatings[J].Proceedings of
the 6th nordic symposium on tribology,1994,3:735~747.
[6] 程改青，穆亚辉，李宝增．激光熔覆修复技术研究进展[J]．热加工工艺，2010，39(18)：129-133．
