刀具硬质涂层的发展现状及展望

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1、万方数据2009年第43卷№1l刀具硬质涂层的发展现状及展望胡鹏飞，张华洛阳理工学院摘要：综述了刀具用硬质涂层材料的制备方法和种类，并对硬质涂层的应用前景及发展趋势进行了展望。关键词：刀具；硬质涂层；PvD；cvD中图分类号：TGl7文献标志码：A嘶ntsitIl鲥伽锄dFmu№Prosp

2、ectofIIard(衲tiIlgUsed蛐‘M咖g7I桃HuPen毋i，飙H眦Alx妇t：TllepepaIati∞删m，dsalld谢eties0flla柑coating耻删alu8edon咄ingtoolsa把reviewed．TheappIi髓ti嘶删跚dd腓l叩hlg咖0fIla

3、rdcoa哐iIlgm胁嘲删t00．K删0柑s：cut吨伽k；}lard删Ilg；PvD；cVD1引言现代金属切削加工要求刀具具有高切削速度、高进给量、长寿命、高精度等优良特性。高速钢或硬质合金作为传统的刀具材料，越来越难以满足现代机械加工业的发展需要。因此，刀具表面涂层技术应运而生。刀具表面涂层技术是近几十年发展起来的材料表面处理技术。在适当的工艺技术条件下，涂层具有很高的硬度，较低的摩擦系数，并且与基体材料有良好的结合力，因此可以大大提高金属切削刀具的使用寿命。上世纪70年代，TiN涂层刀具的出现，掀起了一场刀具技术革命，从此刀具进入了涂层时代。经过近几十年的发展，涂层的

4、制备技术和涂层研究方面都有很大突破，目前发达工业国家涂层刀具已占80％以上，高精度机床上所用的切削刀具90％以上是涂层刀具⋯。2常用的涂层技术目前常用的涂层方法主要有C、∞(化学气相沉积法)和PvD(物理气相沉积法)。目前日巾和PvD在刀具涂层技术中都占很大的比重，这两种技术都有各自的技术特点。(1)CVD技术CvD是通过气相物质的化学反应在基材表面上沉积固态薄膜的一种工艺方法。CvD技术发展较早，在上世纪60年代就被应用于硬质合金刀具的涂层处理。C、巾技术有很多优点：一是所需涂层源收藕日期：2009年2月的制备很容易；二是膜的均匀性好；三是成膜粒子能量很低，所以膜的内应力很

5、低；四是可以得到比较厚的膜；五是膜的耐磨性很好。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CVD工艺排放的废气会造成较大环境污染。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，出现了中温化学气相沉积(MT—cvD)，其机理与高温c、，D技术相同，但是涂覆温度仅为700一900℃，并且向着更低温度和高真空方向发展。MT—CvD技术具有沉积速度快、涂层厚度均匀、涂层附着力高、内部残余应力小等优点。但是MT—CVD技术依然存在着环境污染问题，而且涂层内部为拉应力状态，使用时易产生裂纹怛J。CVD法涂层技术特别适用于

6、形状复杂工件的表面镀层，并能得到膜层均匀且厚度大的镀层。C、∞技术也可以制备一些P、∞方法不易得到的膜层，比如金刚石膜、a—A1203膜。(2)m技术习惯上，把固体(液态)镀料通过高温蒸发、溅射、电子束、等离子体、激光束、电弧等能量形式产生气相原子、分子、离子(气态，等离子态)进行输运，在固态表面上沉积凝聚，生成固相薄膜的过程称为物理气相沉积(PⅦ)。目前常用的PVD技术从大的方面可分为真空蒸镀、溅射、离子镀等，由这几种镀膜技术又衍生出了名目繁多的新技术。随着PⅦ技术的发展，人们把离子束、等离子体引入到PvD技术中，同时可以通人反应气体，通过化学反应来制取膜层，所以现在的Pv

7、D技术已不是单纯的物理过程，目前PⅧ技术和CvD技术已经相互交叉。万方数据3硬质涂层的发展3．1二元涂层TiN是最早应用于切削刀具的硬质涂层，也是第一个产业化并广泛应用的硬质薄膜材料，目前仍在广泛使用。TiN膜硬度大约为20GPa，具有较高的抗机械摩擦和抗磨料磨损性能，它的膨胀系数和硬质合金相近，因而与基体结合牢固，适于作硬质合金刀片多涂层的底膜。当使用温度超过500℃时，TiN被迅速氧化成疏松结构的Til02而将失去对刀具的保护作用。随后人们又开发出了Tic、crC、crN、zrN等二元硬质薄膜材料，这些硬质薄膜都各具特点，但是性能比较单一，不能满足现代复杂加工业的需要。由

8、于二元膜制备工艺比较成熟、简单，在普通工况条件下，某些二元膜仍在使用，目前TiN薄膜刀具还在大量使用。3．2多元涂层目前刀具涂层发展方向之一就是多元化。在TiN膜层的基础上，科研工作者又引入了m元素，自1985年l<110tek等首次发表了关于TiAlN涂层的研究成果后，人们便对其优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能表示了极大的关注，已经用多种PVD方法成功制备了TiAlN膜【3-4J。TiAlN涂层具有高的硬度和氧化温度，随着涂层的多层化和纳米化，TiAlN涂层的性能还在继续提高。当灿含量超过50％时