中國刀具涂層材料之多元涂層研究
2008-01-09 16:54:43
單涂層刀具由于基材與涂層兩者的硬度，彈性模量及熱膨脹系數(shù)相差較遠，晶格類型也不盡相同，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加，結(jié)合力較弱。在單涂層中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨損性，加入Si提高硬度和抗化學(xué)擴散）制備出多元的刀具涂層材料，大大提高了刀具的綜合性能。
最常用的多元刀具涂層是TiCN、TiAlN涂層。TiCN涂層兼有TiC和TiN涂層的良好韌性和硬度，它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C和N的成份來控制TiCN的性質(zhì)，并可形成不同成份的梯度結(jié)構(gòu)，降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層厚度，阻止裂紋擴展，減少崩刃。
TiCN涂層技術(shù)不斷地在發(fā)展，九十年代中期，中溫化學(xué)氣相沉積(MT-CVD)新技術(shù)的出現(xiàn)，使CVD技術(shù)發(fā)生了革命性變革。MT-CVD技術(shù)是以有機物乙腈(CH3CN)作為主要反應(yīng)氣體，在700℃以下生成TiCN涂層。這種TiCN涂層方法有效控制了很脆的η相(Co3W3C)生成，提高了涂層的耐磨性、抗熱震性及韌性。研究表明：在PVD沉積TiCN涂層時適當(dāng)增加離子束轟擊也可明顯提高涂層的硬度及耐磨性。近年來，以TiCN為基的四元成分新涂層材料（如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等）也紛紛出現(xiàn)。
TiAlN涂層材料是目前應(yīng)用最廣泛的高速硬質(zhì)合金刀具涂層之一，TiAlN有很高的高溫硬度和優(yōu)良的抗氧化能力，涂層組成由原來的Ti0.75Al0.25N轉(zhuǎn)化為優(yōu)先使用的Ti0.5Al0.5N。Ti0.5Al0.5N涂層抗氧化溫度為800℃，在高速加工中表面會產(chǎn)生一層非晶態(tài)Al2O3薄膜，對涂層起保護作用。目前人們將研究重點放在對TiAlN涂層的改進上，以滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χT如抗氧化性能、熱穩(wěn)定性能及熱硬度等需求的不斷提高。目前德國CemeCon公司采用高電離濺射技術(shù)(HIS®)獲得先進的TiAlN涂層，涂層與基體有極好的結(jié)合力，避免了采用多弧離子鍍技術(shù)時蒸發(fā)材料在熔融狀態(tài)以液滴的形式沉積于工作表面的現(xiàn)象，從而可獲得表面非常光滑平整的涂層。Balzers公司新開發(fā)的X.CEED涂層也是一種單層TiAlN涂層，具有優(yōu)異的紅硬性和抗氧化性，即使在惡劣的條件下，涂層與基體仍具有良好的結(jié)合強度。三菱公司的MIRACLE涂層是含Al豐富的（Al,Ti）N涂層，通過大幅提高膜硬度和抗氧化性而實現(xiàn)了對淬火鋼的直接加工。
TiBN涂層是基于TiN和TiB2發(fā)展起來的多元涂層，它既增強了TiN涂層的硬度，又保持了良好的韌性，避免了BN涂層和TiB2涂層的脆性，涂覆刀具耐磨性及抗腐蝕能力顯著提高，且磨擦系數(shù)較低。CHeau等人過濺射Ti-B靶材沉積出的Ti-B-N涂層結(jié)合力得以改善，且達到了44GPa的顯微硬度。CemeCon公司開發(fā)的TiAlBN涂層，通過硼含量的變化，在加工過程中產(chǎn)生所謂“實時”現(xiàn)象，即通過硼擴散，形成BN、B2N3，從而得到有利于切削加工的潤滑膜層。此外還有日立公司開發(fā)的高溫下具有低摩擦系數(shù)的TiBON涂層。
在TiN中加入Si元素形成TiSiN多元涂層，其抗高溫氧化性較單涂層TiN明顯提高。日本日立公司開發(fā)的適用于硬切削的TiSiN涂層具有36GPa的硬度和1100℃的開始氧化溫度，此外日立公司還以Cr代替Ti元素，開發(fā)出具有潤滑性，更適合用于鋁、不銹鋼等粘附性強的材料加工的CrSiN涂層以及四元的具有超強耐氧化性的AlCrSiN涂層。
Balzers公司另一具有代表性的多元涂層是以Cr元素替代Ti元素的AlCrN涂層，稱為G6，該涂層具有HV3200的顯微硬度，使用溫度可達到1000℃，它的韌性超過鈦基涂層（如TiAlN、TiCN），更適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工。
成都工具研究所開發(fā)了我國首創(chuàng)的Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B兩個系列共三種高性能多元復(fù)合涂層，具有優(yōu)異的復(fù)合機械性能和優(yōu)良的切削性能，主要用于汽車刀具及Hertel系列螺紋梳刀片上。其他的多元涂層材料還有TiMoN，TiCrN，NbCrN，NbZrN等。
