刀具涂層的研究進(jìn)展及最新制備技術(shù)
2018-8-14 來源：轉(zhuǎn)載 作者：王鐵鋼 張姣姣 閻 兵
摘要 刀具涂層是機械加工行業(yè)實現(xiàn)高效率、高精度、高柔性和綠色制造的有效途徑，其優(yōu)異的綜合性能不僅可延長刀具的使用壽命，而且能大幅度提升機械加工效率和零件的表面加工質(zhì)量，尤其針對鈦合金、高溫合金等難加工材料的切削，極大降低了加工成本。文章概述了刀具涂層的特點、類別及刀具涂層材料的應(yīng)用，總結(jié)了化學(xué)氣相沉積技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、物理化學(xué)氣相沉積技術(shù)的原理及優(yōu)缺點。闡述了刀具涂層的發(fā)展歷程，即從常用涂層到納米復(fù)合涂層、功能梯度涂層等新型涂層，并對新型刀具涂層和最新制備技術(shù)的發(fā)展做了簡單的分析與介紹。
關(guān)鍵詞 刀具涂層 磁控濺射 電弧離子鍍 離子束輔助沉積 切削性能
如今，隨著制造技術(shù)全球化趨勢的快速發(fā)展，對機械加工行業(yè)切削技術(shù)的要求逐步提高。刀具涂層的出現(xiàn)使加工高效性、精確性、專業(yè)化程度都有利于制造業(yè)的進(jìn)步，因而刀具涂層技術(shù)得到世界各個國家的廣泛關(guān)注。各種高強度合金和冷硬鑄鐵的廣泛應(yīng)用，汽車發(fā)動機薄壁缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸的加工精度及效率要求的不斷提高，這些都對高速切削技術(shù)提出了新要求。
選擇合適的刀具涂層材料對降低刀具材料消耗，獲得良好的加工精度和表面質(zhì)量，提高難加工材料切削刀具的壽命、效率等方面都具有決定性作用。近年來，提高涂層與基體的結(jié)合強度，刀具涂層的強度、硬度、韌性、抗氧化、耐高溫和耐磨損等性能，能夠拓寬涂層刀具在干式切削加工中的應(yīng)用，滿足新型難加工材料的高速切削加工及現(xiàn)代金屬切削加工需要有高的速度、進(jìn)給率、可靠性、耐磨性和良好的切削可控性的條件。使得刀具涂層技術(shù)從單一的刀具涂層逐步的發(fā)展成多元、多元復(fù)合、納米復(fù)合涂層等具有優(yōu)良特性和卓越機械性能的涂層刀具，不但可以增加刀具涂層的使用壽命，還可得到較好的加工效果。刀具涂層的研究進(jìn)展同時也促進(jìn)了新制備技術(shù)的出現(xiàn)。例如，近些年來最新發(fā)展并最受歡迎的先進(jìn)的制備技術(shù): 高功率脈沖磁控濺射技術(shù) ( HIP-IMS) ，離子束輔助沉積技術(shù)和磁過濾電弧離子鍍技術(shù)。因為可以制備出工業(yè)上所需要的耐腐蝕耐摩擦薄膜、超硬薄膜、超導(dǎo)薄膜及具有綜合機械性能的薄膜，所以成為制備并研制刀具涂層的主流技術(shù)。
1 、刀具涂層簡述
刀具涂層是在真空條件下，采用氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金、高速鋼( HSS) 刀具基體表面上，或者金剛石、陶瓷、立方氮化硼等超硬材料刀片上，沉積單層或多層抗高溫、耐磨損的難熔金屬化合物硬質(zhì)涂層。涂層避免了刀具與工件間的直接接觸，使擴散和化學(xué)活性降低，提高了抗氧化、抗粘結(jié)、抗磨粒磨損、抗月牙洼磨損的性能。涂層刀具良好的綜合切削性能，滿足了高速切削加工中提高加工效率與加工質(zhì)量的要求?？偨Y(jié)起來涂層刀具有以下特征:
(1) 刀具涂層可在保證刀具強度不降低的情況下，大幅度的提高刀具表面硬度。
(2) 固相潤滑性能良好的刀具涂層，具有較高的抗粘結(jié)性能和較低的摩擦系數(shù)，可明顯改善工件表面加工質(zhì)量，滿足干式切削加工的惡劣條件。
(3) 刀具涂層的不斷升級換代，使得一系列刀具涂層表現(xiàn)出優(yōu)異力學(xué)性能和摩擦學(xué)性能，又表現(xiàn)出氧化性良好的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在對難加工材料的高速切削中，極大地提高了刀具的使用壽命和加工效率。
(4) 涂層刀具可極大地減少冷卻液或潤滑液的使用及刀具材料的消耗，降低切削加工成本，提高生產(chǎn)效率。
(5) 數(shù)種非涂層刀具可以由一種具備多種材料綜合性能的涂層刀具替代，即減少了刀具的品種和數(shù)量又簡化了刀具管理，還可以降低刀具的使用成本，因此涂層刀具應(yīng)用性強，加工范圍廣。
2、 刀具材料進(jìn)展
刀具材料的發(fā)展對于機械加工行業(yè)的快速發(fā)展具有重大意義，隨著刀具材料性能的不斷改進(jìn)，特別是刀具涂層的出現(xiàn)和日益優(yōu)化，使得刀具的切削加工水平和效率在不斷地提高。除此之外，還可逐漸滿足難加工材料鈦合金、陶瓷等的高速切削要求。自 1900 年后至今，刀具材料及加工時間的發(fā)展變化如圖 1 所示?？梢?，刀具材料技術(shù)的發(fā)展縮短了100 倍的切削時間。1960 年之后，涂層刀具的出現(xiàn)，使得加工時間縮短了 4 倍。最初使用的刀具材料是碳鋼，因為碳的含量越高，鋼的耐磨性越好，但韌性較差，使用溫度低，切削性能差且加工效率不高。后來出現(xiàn)的高速鋼的耐熱能力和切削性能明顯優(yōu)于碳鋼。隨著制造業(yè)的發(fā)展，淬硬鋼、高錳鋼、耐磨鑄鐵等材料的使用增加，新型材料的出現(xiàn)，雖然高速鋼及硬質(zhì)合金刀具在普通的切削加工中應(yīng)用比較廣，但是硬度、耐磨性和耐高溫能力都不是很高，滿足不了高速切削的加工要求，刀具涂層的應(yīng)用有效改善了現(xiàn)有刀具的切削性能。隨著涂層技術(shù)的不斷更新，刀具涂層已由最初的單層發(fā)展到多層復(fù)合、梯度涂層、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，最近又新出現(xiàn)了混合式復(fù)合涂層，逐步縮短切削加工時間，提高加工效率，對加工制造業(yè)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。刀具涂層的出現(xiàn)即大幅度的縮短了刀具切削加工時間又使得高速切削難題逐步被解決，刀具涂層材料將持續(xù)發(fā)展，可逐漸實現(xiàn)當(dāng)代先進(jìn)制造業(yè)高效率、高精度、高柔性和綠色化發(fā)展。
圖 1 刀具材料與加工時間隨年代的變化
3 、真空氣相沉積技術(shù)
真空氣相沉積是將反應(yīng)室抽成真空，利用各種方法，使金屬或金屬氧化物成為氣態(tài)原子或分子，入射沉積在金屬或非金屬表面，形成固態(tài)薄膜。真空鍍膜相比傳統(tǒng)的電鍍法，具備耗能低、污染小、無毒、無廢液、成本低、應(yīng)用范圍廣、鍍層質(zhì)量高等優(yōu)點，是鍍膜領(lǐng)域發(fā)展前途很好的一項新技術(shù)。真空是涂層氣相沉積的必要條件之一，在真空下活性反應(yīng)氣體氧氣含量較低，并且具有氣體分子間碰撞少，化學(xué)非活性，熱導(dǎo)低，壓力低的特點，所制備的薄膜孔隙率和雜質(zhì)含量低; 真空度還會影響沉積離子的動能，改變涂層的生長機制，還可細(xì)化晶粒，影響涂層物相結(jié)構(gòu)與分布，從而獲得高硬度、高純度的涂層。氣相沉積是在合適的工藝參數(shù)條件下，通過氣相中發(fā)生的物理、化學(xué)反應(yīng)，在基體表面上形成具有特殊性能薄膜的方法。氣相沉積技術(shù)根據(jù)涂層形成的基本原理包括: 化 學(xué) 氣 相 沉 積 ( CVD ) 、物 理 氣 相 沉 積( PVD) 、物理化學(xué)氣相沉積( PCVD)。
3． 1 PVD 技術(shù)
PVD 是一種利用濺射或蒸發(fā)等之類的物理氣相方法，在真空環(huán)境中的襯底上凝聚形成涂層的過程。目前，PVD 的主要方法有濺射鍍膜、真空蒸發(fā)鍍膜、電弧、空心陰極、活性反應(yīng)等離子體鍍膜。涂層沉積過程是在真空和氣體放電( 即低氣壓等離子) ，大電流電弧放電，低電壓條件下進(jìn)行的。固態(tài)物質(zhì)的涂層反應(yīng)源蒸發(fā)或濺射后，與送入的反應(yīng)氣體通過電離、復(fù)合和反應(yīng)等物理過程，生成新的固態(tài)物質(zhì)，沉積在基體表面，形成均勻致密的硬質(zhì)薄膜和它們的復(fù)合涂層薄膜。
隨著高新科技的快速發(fā)展，物理氣相沉積經(jīng)過不斷地改進(jìn)出現(xiàn)了新的亮點，像多弧離子鍍與磁控濺射兼容技術(shù)，非平衡磁控濺射技術(shù)，孿生靶技術(shù)等使得物理氣相沉積技術(shù)不斷地滿足工業(yè)化大規(guī)模的發(fā)展。優(yōu)點: PVD 技術(shù)制備出的薄膜具有硬度和強度高、熱穩(wěn)定性好、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、摩擦系數(shù)低、組織結(jié)構(gòu)致密等優(yōu)點。與 CVD 相比低溫沉積且薄膜內(nèi)部的壓應(yīng)力狀態(tài)對硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具的涂層更為適合。PVD 工藝無污染 ，可實現(xiàn)綠色化制造。PVD 涂層技術(shù)不僅廣泛用于各種切削加工刀具、鉆頭等的涂層處理而且涂層成分也由單層涂層、多元涂層發(fā)展到多元復(fù)合涂層。缺點: PVD 技術(shù)制備涂層薄膜要求基體的清潔度高，而由于繞鍍性差使得覆蓋臺階、復(fù)雜零件等的能力差，工藝重復(fù)性不好且加工成本高。
3． 2 CVD 技術(shù)
CVD 是利用等離子體激勵、加熱等方法，使反應(yīng)物質(zhì)在一定溫度和氣態(tài)條件下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)并以生成的固態(tài)物質(zhì)沉積在適當(dāng)位置的基體表面，進(jìn)而制得的固態(tài)薄膜或涂層的工藝技術(shù)。CVD 是一種非常靈活、應(yīng)用廣泛的制備涂層的化學(xué)氣相生長法，即將含有組成薄膜元素的單種或多種化合物、單質(zhì)氣體供給放置有基體的真空反應(yīng)室，借氣相作用在基體表面上形成所要求的固態(tài)薄膜或涂層的方法。利用等離子和激光輻射技術(shù)還可以獲取活化能，從而能在較低的溫度下進(jìn)行沉積。如今化學(xué)氣相沉積技術(shù)不僅廣泛應(yīng)用于各種單晶、多晶或玻璃態(tài)無機膜材料的沉積且已成為無機合成化學(xué)的一個新領(lǐng)域。優(yōu)點: CVD 可以在真空低的條件下沉積涂層，各種氮化物、碳化物、氧化物、硼化物、硅化物涂層的制備可在低于其熔點或分解溫度的沉積溫度下進(jìn)行，設(shè)備簡單，同一種膜的制備可選用不同的化學(xué)反應(yīng)，靈活性比較大即反應(yīng)原料的成分不僅可以調(diào)節(jié)和改變，又能控制涂層的特性和成分。又因為繞鍍性好適合用于形狀復(fù)雜的零件和沉積內(nèi)壁、內(nèi)孔等的鍍膜。缺點: 工藝溫度高在應(yīng)用上受到限制，針對局部表面沉積涂層時沒有 PVD 技術(shù)方便，沉積速率不是很高比濺射鍍膜還要低，鍍膜后需真空熱處理。制備的涂層表面粗糙，需要采取措施解決環(huán)境污染問題。
3． 3 PCVD 技術(shù)
PCVD 是結(jié)合輝光放電的物理過程與 CVD，在低壓輝光放電的陰極上放上樣品，合適的溫度下，通入適量的氣體，利用相結(jié)合的化學(xué)反應(yīng)和離子轟擊過程，通過精確的監(jiān)控來保證工藝參數(shù)的穩(wěn)定。樣品表面獲得涂層不僅具有 PVD 的低溫性而且還具有 CVD 的繞鍍性，化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)性能易于調(diào)整，因而適用于 PVD、CVD 技術(shù)鍍膜的某些范圍有可能被取代。優(yōu)點: PCVD 技術(shù)可實現(xiàn)低溫沉積，繞鍍性也比較好，制備出的薄膜還具有較高的膜基結(jié)合力。缺點: 真空度低、鍍膜雜質(zhì)含量較高、硬度低、沉積速率過快、化學(xué)反應(yīng)不完全、PCVD 設(shè)備的腐蝕較嚴(yán)重。
4、 刀具涂層材料的分類及應(yīng)用
刀具涂層的合理應(yīng)用，不能僅根據(jù)涂層的成分和是否具有高的硬度、韌性、抗氧化性來選擇，必須從實際的切削工況及不同的切削條件進(jìn)行綜合考慮，以達(dá)到獲得最大經(jīng)濟效益的目的。如車削加工、鉆削加工、銑削加工、螺紋加工，不同的加工方法有不同的加工特點，依據(jù)不同的加工特點來考慮刀具涂層的硬度、高溫抗氧化性、韌性、薄膜致密性等哪個應(yīng)該為首選因素。圖 2 是幾種典型的常用涂層刀具實物圖。在金屬切削加工刀具中，有許多經(jīng)過鍍膜技術(shù)處理的涂層刀具，如在刀具上涂覆金黃色的 Ti N、Zr N 涂層，在切削刀具上覆蓋黑色或灰色的 Ti C、Cr N 涂層，在銑刀、鉆頭等工 具上 涂覆古 銅 色 的Ti Al N 涂層等一系列各種顏色的涂層刀具。刀具涂層材料的分類方法較多，即可以根據(jù)涂層材料的性質(zhì)來分，也可以根據(jù)材料的種類及制備方法、應(yīng)用、化學(xué)構(gòu)成來分。
圖 2 典型涂層刀具實物照片
表 1 是常見涂層材料的特征及應(yīng)用情況。
表 2 是按照化學(xué)鍵的種類對涂層材料進(jìn)行歸納分類。
5、 刀具涂層的發(fā)展歷程
常規(guī)的過渡族金屬氮化物涂層，像 Ti N、Cr N 等早已被廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)代實際加工條件的愈加苛刻及更高的切削加工精度要求使得它們無法滿足，故相繼開發(fā)出成分多元化、功能多樣化的涂層。新型涂層具有比傳統(tǒng)涂層更高的硬度和抗高溫氧化能力，已成為當(dāng)今刀具涂層發(fā)展的重要方向，圖 3 所示為刀具涂層提供的改性作用。
圖 3 刀具涂層提供的改性作用
5． 1 常規(guī)涂層
(1) 氮化鈦( Ti N) 涂層: Ti N 是利用 PVD 技術(shù)制備的一種最常見涂層，不僅可以提高刀具硬度、韌性、使用壽命，而且還有較高的抗氧化溫度。該涂層相對來說具有一定的抗腐蝕、抗氧化及耐磨損能力，故應(yīng)用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得良好的加工質(zhì)量。
(2) 碳化鈦( Ti C) 涂層: Ti C 涂層是涂層技術(shù)初期最早被開發(fā)出來的一種單一涂層，涂層的的硬度比 Ti N 高，較強的機械磨損性能和基體粘結(jié)力，在切削加工過程中可降低加工阻力和切削溫度。其缺點是涂層脆性、韌性、抗彎強度較低，適合于刀具產(chǎn)生劇烈磨損及連續(xù)切削的場合。
( 3) 氮碳化鈦( Ti CN) 涂層: Ti CN 涂層是由 Ti N 涂層加入合金化元素 C，Ti N 晶格中部分氮原子被碳原子所取代而形成的同時具有 Ti N 和 Ti C 優(yōu)點和特征的三元涂層。Ti CN 在摩擦學(xué)應(yīng)用的磨損機制要優(yōu)于 Ti N，這是因為 Ti CN 涂層中由于 C 的存在作為潤滑劑降低了摩擦磨損。但是，在溫度高于400 °C 時該涂層就會失效，因此 Ti CN 涂層適合運用于工作溫度低于 400 °C 高速鋼刀具。
( 4) 鈦鋁氮( Ti Al N) 涂層，: Ti Al N/Al Ti N涂層是在 Ti N 基本結(jié)構(gòu)中 Al 替代 Ti 而形成的具有立方 Na Cl 結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層。該涂層中氧化鋁的存在使薄膜導(dǎo)熱性降低從而提高刀具的高溫加工壽命。由于高硬度和耐磨性，以及良好的熱穩(wěn)定性能和時效硬化能力，是最先進(jìn)的加工工藝( 例如: 高速干式切削) 的首選耐磨材料之一。Ti Al N 比 Ti N 涂層刀具具有高的硬度、氧化溫度，好的紅硬性、附著力，低的熱膨脹系數(shù)及摩擦系數(shù)。切削性能優(yōu)于Ti N，可應(yīng)用于鑄鐵、不銹鋼、高溫合金的高速切削或干式加工。
(5) 鋁鈦氮( Al Ti N) 涂層: Al Ti N 和 Ti Al N 涂層區(qū)別在于鋁和鈦的比例不同，Al Ti N 涂層優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能被廣泛的應(yīng)用于耐磨領(lǐng)域，這很大程度上歸功于鋁含量的增加。與 Ti N 涂層相比，Al Ti N 涂層作為刀具的保護(hù)層，可減少磨損量及更大的沖擊周期所導(dǎo)致的斷裂。由于晶粒細(xì)化后組織結(jié)構(gòu)更加致密，Al Ti N 涂層比 Ti Al N 涂層硬度更高，同時兼具了 Ti Al N 涂層優(yōu)良的綜合機械性能，是高速干式加工的一種理想涂層。
(6) 氮化鉻( Cr N) 涂層: Cr N 涂層基于高硬度，高的熱穩(wěn)定性，抗磨損和抗腐蝕性能，是一種受歡迎的低摩擦涂層。極高的變形表面和大晶粒尺寸的Cr N 結(jié)構(gòu)可以為潤滑劑提供微儲藏，從而使 Cr N 涂層也適用于在潤滑條件下工作的部件。另外，良好的抗粘結(jié)性能使 Cr N 刀具涂層在容易產(chǎn)生積屑瘤及切削 鈦 合 金、鋁 等 軟 材 料 加 工 中 成 為 首 選 涂層。這種幾乎無形的 Cr N 涂層涂覆在高速鋼、硬質(zhì)合金材質(zhì)的車刀、銑刀、成形刀具上，可大大改善刀具的加工性能，因此，在工程中得到了廣泛應(yīng)用。
(7) 金剛石( Diamond) 涂層: CVD 金剛石涂層在刀具上的應(yīng)用比較成熟，可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工陶瓷、石墨、金屬基復(fù)合材料( MMC) 、高硅鋁合金、碳-碳復(fù)合材料、高磨蝕材料等的理想涂層，這是因為刀具的磨損主要是由粘結(jié)、腐蝕、擴散等引起的熱、化學(xué)磨損，硬顆?？虅澴饔盟鶎?dǎo)致的的機械磨損 ( 注意: 純金剛石涂層刀具熱穩(wěn)定性差，在高溫條件下會失去硬度和碳化。除此之外，與鐵有很強的親和力。故不適合加工鋼鐵件，以避免破壞涂層與刀具間的粘附層)。金剛石涂層刀具有很高的熱導(dǎo)率、抗高溫氧化性，刀具壽命高于沒有涂層的硬質(zhì)合金刀具，最適合用于表面光潔度要求高、抗腐蝕磨損和抗磨粒磨損的切削加工情況。
(8) 立方氮化硼( c-BN) : 立方氮化硼主要是在高溫高壓工藝下由人工合成的立方聚晶氮化物，硬度和熱導(dǎo)率僅次于金剛石，具有熱膨脹、密度較小和良好的熱穩(wěn)定性，低斷裂韌性的特點。更重要的是，立方氮化硼不僅有金剛石的許多優(yōu)良特性而且?guī)缀醪慌c鐵族元素發(fā)生反應(yīng)，對于黑色金屬具有優(yōu)異的化學(xué)和熱穩(wěn)定性。立方氮化硼涂層除了良好的耐磨性，還能切削加工高硬度和對刀具有嚴(yán)重磨損的合金材料，因此，加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金 、硬質(zhì)合金等難加工材料時立方氮化硼往往成為最佳選擇。切削、鉆削、滾齒和攻絲等屬于不同的加工，適用的涂層也各不相同，涂層結(jié)構(gòu)方式有: 單涂層、雙涂層或多涂層、復(fù)合化合物涂層、梯度涂層、納米涂層及納米復(fù)合涂層等類型，各自有其特定的使用場合。進(jìn)一步提高了刀具的使用壽命，典型涂層結(jié)構(gòu)如圖 4 所示。
圖 4 典型涂層結(jié)構(gòu)
5． 2 新型涂層
(1) 合金涂層: 因為固溶強化( 晶格畸變) 、共價鍵結(jié)合能增加( C 取代 N) 、沉淀硬化( 第二相析出) 、抗氧化能力改善、抗氧化元素的添加，如 Al，Zr，Cr 等所以硬度提高。例如 Al-Fe-Mn-Si 系多主元合金涂層是采用激光熔覆技術(shù)在鋁合金表面制備而成，涂層表面的顯微硬度相比于基體的硬度提高了 2 倍，激光熔覆制備的 Al Fe Mn Si Zn 多主元合金涂主要是具有簡單 FCC 結(jié)構(gòu)的 α-Al 固溶體且涂層中還生成了少量金屬間化合物 Al13Fe4 和 Al6Mn，由于多主元合金涂層存在最為合適比例的韌性相和硬質(zhì)顆粒，故表現(xiàn)出最優(yōu)的耐磨性能。
(2) 類金剛石涂層: 類金剛石 ( Diamond-likecarbon coating，簡稱 DLC) 涂層的制備即可以用在高溫或者等離子場中將碳的化合物電離或分解，在基體上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成涂層的 CVD 技術(shù)制備，也可以由 PVD 制備。DLC 涂層不是由單質(zhì)而是由sp2和 sp3鍵和幾乎沒有的 sp1鍵組成的，性質(zhì)介于金剛石和石墨之間的亞穩(wěn)態(tài)非晶碳，因此兼具了金剛石和石墨兩者的優(yōu)良特性。DLC 涂層由于硬度高、摩擦系數(shù)低、自潤滑性好、熱傳導(dǎo)高、化學(xué)惰性和抗粘著而被用于軟金屬的銑削，大大提高了加工質(zhì)量，具有很好的應(yīng)用前景。
(3) 納米復(fù)合涂層: 它是由孤立的納米晶( 如nc-Ti N) 鑲嵌在很薄的非晶層( 如 a-BN) 中形成的一種復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。由于該涂層納米晶硬度較高，非晶相塑性好，兩相界面內(nèi)聚能高，晶體相和非晶相在熱力學(xué)上呈分離趨勢; 細(xì)小的納米晶內(nèi)無法形成位錯，晶粒間的薄非晶層可阻擋晶界滑移，大量的兩相界面增加了微裂紋擴展阻力的特征。因此，納米復(fù)合涂層在刀具上的應(yīng)用，可發(fā)揮其高硬度 (＞ 40GPa) 、高韌性、優(yōu)異的耐磨性能和高溫?zé)岱€(wěn)定性等優(yōu)勢，比普通涂層具有更好的耐腐蝕性能，適合用于高速切削、干式加工等工況。納米復(fù)合涂層由傳統(tǒng) Me N( Me 包括 Ti、Cr、Zr、Ti Al、Cr Al 等) 涂層發(fā)展起來的，主要包括 Me-Si-N( nc-Me N/a-Si3N4) 和Me-B-N( nc-Me N，Me B2 / a-BN) 兩類，通過向 Me N 涂層中分別添加 Si、B 等元素形成。涂層中的軟質(zhì)非晶相在一定程度上可緩沖外載荷引起的晶粒滑移，降低其抗彈性變形能力，同時也增加了涂層韌性。
圖 5 是涂層中添加 Si 或 B 等元素后，由晶體結(jié)構(gòu)向納米復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的示意圖。
圖 5 納米復(fù)合涂層微觀結(jié)構(gòu)演變示意圖
(4) 多層復(fù)合涂層: 多層復(fù)合涂層是通過改變結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的方法獲得的，一般由兩種不同的材料按一定的周期交替疊加形成，可集中每種材料的優(yōu)異特性，控制每一層膜厚在幾個納米或更小量級，更重要的是能發(fā)揮協(xié)同作用效果，如超模量效應(yīng)、超硬效應(yīng)等。多層復(fù)合涂層可以在單一涂層原有性能的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高其韌性、硬度及抗高溫氧化性能來更好地滿足現(xiàn)代難加工材料的高效加工。在生產(chǎn)應(yīng)用方面，歐瑞康巴爾扎斯涂層公司已將 Al Cr O/Al Cr N 多層復(fù)合涂層應(yīng)用于齒輪滾刀表面，并在工具鍍膜行業(yè)已占有絕對優(yōu)勢，圖 6 是其生產(chǎn)的多層膜截面形貌照片。
圖 6 巴爾扎斯涂層公司生產(chǎn)的 Al Cr O/Al Cr N 多層復(fù)合涂層截面形貌
(5) 混雜涂層: 采用 Alloying + Nanocomposite概念: 可實現(xiàn)超硬、韌性提高、耐磨性改善、抗氧化性能提高、抗腐蝕性能提高。其過程是以金屬和金屬化合物為原材料在基體表面上進(jìn)行合金化，制備金屬化合物增強金屬間化合物基體復(fù)合涂層。如金屬間化合物 Fe3Al 密度低，且具有優(yōu)良的抗磨損、抗高溫氧化、抗腐蝕和硫化等性能。Fe3Al 相可有效增強 Ti C-Fe3Al 金 屬陶瓷的韌性，Ti C 顆粒的加入使Fe3Al 的高溫力學(xué)性能和硬度明顯提高，研 制的Ti C / Fe3Al 復(fù)合涂層具有較好的抗高溫氧化、耐高溫沖蝕的能力，可解決淬硬鋼難加工的問題。
(6) 高熵合金涂層: 高熵合金涂層是以簡單的體心立方或面心立方固溶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)的。該涂層通過高熵簡化高熵合金微結(jié)構(gòu)，使微結(jié)構(gòu)納米化及非晶質(zhì)化，且可設(shè)計合適的合金配方，從而使其具有較高的強度、硬度、韌性和優(yōu)異的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性能。高熵合金涂層不僅可以強化一些特性還有著常用合金涂層不及的優(yōu)異特性，用在刀具上使得刀具材料的很多缺陷得以改善。
(7) 功能梯度涂層: 是一種集各種組成要素于一體，結(jié)構(gòu)單一或綜合性變化，可設(shè)計性強的非均質(zhì)復(fù)合涂層。功能梯度涂層由于空間梯度變化的引入，可有效提高涂層的力學(xué)性能和使用壽命。內(nèi)部界面的不明顯可使其功能和性能在厚度上呈梯度變化，用作涂層或中間層具有優(yōu)良的隔熱性能，連續(xù)功能梯度涂層可減小粘結(jié)失效、應(yīng)力集中、開裂和剝落等缺陷，改進(jìn)表面性能，減小高溫條件下的殘余應(yīng)力和熱應(yīng)力。在硬質(zhì)合金或高速鋼刀具上沉積成分漸變的梯度涂層可顯著改善膜/基結(jié)合力。單一涂層和梯度涂層的結(jié)構(gòu)示意圖如圖 7 所示。
圖 7 單一涂層和梯度涂層的結(jié)構(gòu)示意圖
(8) HI3 SIBONICA 涂層: SIBONICA ( ( Al，Ti) N / Si BNC( O) ) 涂層是利用新型的高離化混合 PVD工藝 HI3 技術(shù)制備的新一代刀具涂層，其抗氧化性能最佳。“混合工藝”指在同一涂層設(shè)備中采用多種涂層工藝沉積涂層或薄膜。HI3( 三重高離化) 混合技術(shù)結(jié)合了高離化等離子體輔助涂層( HIPAC) 技術(shù)的高離化濺射工藝，先進(jìn)等離子體輔助電弧技術(shù)( APA-Arc) 的高離化電弧工藝。保證了優(yōu)異的結(jié)合強度，并將引領(lǐng)高性能精密刀具和零件涂層當(dāng)今和未來的發(fā)展。該技術(shù)制備的涂層在較高溫度下仍然是穩(wěn)定的非晶態(tài)且具有較低的導(dǎo)熱性，可用在對涂層熱屏障作用要求較高的加工場合，如非氧化陶瓷涂層切削刀具。
6、 最新涂層制備技術(shù)
目前，磁控濺射和電弧離子鍍是用于沉積硬質(zhì)涂層的兩類主要 PVD 涂層技術(shù)。如今，工業(yè)上廣泛應(yīng)用的真空鍍膜技術(shù)之一的傳統(tǒng)磁控濺射技術(shù)，雖然具有低溫沉積、表面光滑、沉積速率快、無顆粒缺陷等許多優(yōu)點，。但金屬離化率低，易生成粗糙多孔的薄膜，膜基結(jié)合力差，涂層易脫落失效。電弧離子鍍技術(shù)雖然比磁控濺射技術(shù)具有金屬離化率高和膜基結(jié)合力強的優(yōu)點，但是存在一個嚴(yán)重的應(yīng)用缺陷，即大顆粒缺陷對薄膜的污染問題，該問是否能夠解決成為了電弧離子鍍技術(shù)發(fā)展的瓶頸。為了進(jìn)一步提高涂層性能及加速在機械加工行業(yè)的推廣，對以下新涂層制備技術(shù)的成果轉(zhuǎn)化已成為涂層領(lǐng)域的迫切需要。
6． 1 高功率脈沖磁控濺射技術(shù)
高功率脈沖磁控濺射( Hi PIMS) 技術(shù)是近年來發(fā)展起來的是一種為濺射靶材提供高離化率脈沖的PVD 技術(shù)，Hi PIMS 是新一代 PVD 涂層技術(shù) 。該技術(shù)比傳統(tǒng)磁控濺射的脈沖峰值功率高 1000 倍或更高，可實現(xiàn)金屬高離化率( ＞ 50% ) 。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)具有磁控濺射無顆粒缺陷、表面光滑和電弧離子鍍低溫、離化率高、內(nèi)應(yīng)力可調(diào)、均勻沉積、膜基結(jié)合力強、涂層致密的優(yōu)點，且離子束流不含大顆粒，相比于 其他電源，其放 電 的 占 空 比 低 ( ＜1% ) ，脈沖寬度( 通常介于 5 和 500 μs) 相對較小，在控制涂層微結(jié)構(gòu)的同時可獲得較高的膜基結(jié)合強度，降低涂層內(nèi)應(yīng)力，提高涂層的致密性、均勻性，特別是沉積材料到復(fù)雜幾何形狀工件不同區(qū)域的導(dǎo)向作用等，都存在著顯著的技術(shù)優(yōu)勢，被認(rèn)為是 PVD近些年來發(fā)展史上的一項尤為重要的技術(shù)突破。圖8 為采用高功率脈沖磁控濺射與其他技術(shù)制備沉積的 Ti Al N 涂層刀具的切削性能對比。
圖 8 采用不同 PVD 工藝沉積 Ti Al N 涂層后，刀具切削高強鋼時后刀面磨損情況對比
6． 2 離子束輔助沉積技術(shù)
離子束輔助沉積技術(shù)是由物理氣相沉積和離子437注入形成的一種新型的表面材料處理技術(shù)。它是在物理氣相沉積的同時，用一定能量的離子束轟擊正在生長的沉積薄膜表面并將額外的能量傳遞到沉積薄膜的材料上，增強薄膜結(jié)構(gòu)的致密性，提高薄膜性能，同時通過改變薄膜表面環(huán)境來影響沉積薄膜的成分、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)的過程。離子束濺射沉積期間應(yīng)用的輔助離子束有助于增加吸附原子的遷移率，從而獲得更光滑的表面質(zhì)量，更小的晶粒尺寸，更高的膜基結(jié)合強度，相對較低的壓縮特性的內(nèi)應(yīng)力，而小尺寸的晶粒和存在的壓應(yīng)力都有助于材料獲得較高的硬度。離子束輔助沉積技術(shù)制備的涂層的硬度要比大量相同成分樣品的硬度高得多。該技術(shù)保持了離子注入的優(yōu)點，且在離子束輔助沉積過程中，可選擇改變離子束的能量、離子束流密度、以及離子束的入射角度和入射離子的種類，同時又可單獨的改變這些參數(shù)，制備常規(guī)制膜技術(shù)很難制備的涂層薄膜，因此，這項技術(shù)近幾年來引起了廣泛的重視。
6． 3 磁過濾電弧離子鍍技術(shù)
磁過濾電弧離子鍍技術(shù)是結(jié)合電弧離子鍍技術(shù)設(shè)備簡單、沉積速度快、工作溫度低、離化率高、繞鍍性好、入射離子能量高、工作電壓低的優(yōu)點，同時利用磁場過濾技術(shù)解決電弧離子鍍技術(shù)制備薄膜時產(chǎn)生的影響薄膜表面質(zhì)量，破壞薄膜連續(xù)性生長，降低薄膜綜合性能的大顆粒污染問題，是一項具有非常重要工程意義的涂層薄膜制備技術(shù)。它是利用電弧放電的原理，在真空室中，靶材放電產(chǎn)生等離子體，并用過濾器濾掉等離子束流中存在的中性大顆粒，獲得純凈離子束，之后在樣品表面沉積形成涂層。磁過濾電弧離子鍍( MFAIP) 技術(shù)利用磁場對等離子體以及大顆粒的不同作用將大顆粒過濾掉，制備出的薄膜或涂層可以有效地排除沉積過程中有不良影響的大顆粒和中性微粒。與其他沉積技術(shù)相比，不但可以通過調(diào)整設(shè)備參數(shù)控制薄膜的成分而且該技術(shù)還可獲得晶粒微細(xì)、膜基結(jié)合力強、致密性良好、硬度高的涂層薄膜，在工業(yè)化生產(chǎn)中具有更廣泛的應(yīng)用前景。
7 、小結(jié)
近年來，隨著材料制備技術(shù)的不斷升級換代，新型超強、超硬材料也在不斷涌現(xiàn)，并伴隨著高速高精切削、干切削，以及以車代磨等新工藝的推廣，都將對刀具切削性能不斷提出更高要求，而性能優(yōu)異的刀具涂層是實現(xiàn)刀具高端、高速加工的必要條件。刀具涂層的使用環(huán)境非?？量毯蛷?fù)雜，涂層表面要承受 900 ～ 1000 °C 以上的高溫和超過 1 GPa 的應(yīng)力載荷，除強烈的磨削、粘著和摩擦/化學(xué)磨損外，間斷摩擦帶來的熱疲勞也常導(dǎo)致涂層失效; 不同工況條件下，切削不同材料時，磨損機理也不相同，低速切削時主要為磨料磨損，隨著切削速度的提高，切削溫度的增加，粘結(jié)磨損和化學(xué)磨損會越來越突出; 通常每一種刀具涂層材料都會有最為合適的加工對象。鑒于以上，在設(shè)計刀具涂層時，要綜合考慮結(jié)合強度、硬度、韌性、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性、彈性模量、導(dǎo)熱、膨脹系數(shù)和摩擦系數(shù)等，制備多功能涂層。隨著低溫、低壓氣相沉積技術(shù)的進(jìn)步，特別是等離子體、離子束等輔助沉積技術(shù)的出現(xiàn)，不斷促進(jìn)刀具涂層的更新?lián)Q代，推動新型涂層刀具的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。
來源：天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市高速切削與精密加工重點實驗室 天津
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