现代切削刀具涂层技术的发展趋势

制造业的发展离不开切削刀具，现代切削刀具已经成为提升制造业技术水平的关键因素之一，切削加工的要求日趋提高，高速、高精度、高效、智能和环保成为切削加工的追求目标；被加工材料的能级不断提高；高强和超高强度材料、高韧性、难切削等材料层出不穷；新形势下对切削加工提出的特殊要求，如加工硬度50HRC以上的硬加工、微润滑和无润滑的干切削不断涌现。总之,切削加工中的个性化特点日见显现。

面对这些变化，若要求在刀具的设计和制造工艺或刀具材料的整体性能上来适应这些要求，技术上的难度是很大的，尤其对刀具材料而言，不仅在资源利用上极不经济，而且要求材料满足日趋复杂的综合切削性能，通常是难以做到的。

而纵观刀具切削失效的大量实例可见，绝大部分的失效往往与材料表面的物理、化学、力学等状态构成的表面性能分不开，亦即现代切削加工对刀具材料表面性能的要求愈来愈高，这就有力地推动了气相沉积技术等表面工程技术的研究。实验结果表明，可通过材料表面改性技术的方法来赋予切削刀具表面的综合切削性能，作为刀具材料表面改性技术之一的化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)工艺技术，已在现代切削刀具的应用方面取得了十分理想的效果。

目前，在作为切削刀具主流的硬质合金刀具中，涂层硬质合金刀具已占到80%以上，其中PVD技术，由于其工艺温度低，不会影响刀具基材的性能，且工艺方案变化多样，使得其应用日趋广泛。涂层技术已经成为构成现代切削刀具的三大核心技术之一。

近几年来，不断提高的切削加工要求和被加工材料的能级以及减少切削加工对环境污染等有力地推动了现代切削刀具涂层技术的发展。膜系材料多元合金化、涂层工艺组合多样化中出现的TiAIN、TiAICN、CrSiN等多元复合涂层和多层涂使刀具获得了高耐磨、低摩擦、热稳定性好和抗氧化力强等良好的综合性能，大大提升了现代切削刀具的性能；纳米组分和纳米薄膜涂层的显微结构使得难加工材料的切削得到了新的解决办法；金刚石涂层和类金刚石涂层(DLC)在加工石墨零件和纤维增强等非金属材料及有色合金材料方面取得了良好的效果。为适应涂层工艺的发展，涂层的工艺装备亦实现了集成化、模块化和智能化，使涂层技术日趋个性化。

膜系材料的多元化

当前，现代切削刀具涂层技术发展的趋势是膜系材料的多元化。膜系材料多元合金化仍然是目前主要的研究方向，即利用过渡金属的二元氮化物、碳化物往往可以彼此互溶的特性，在Ti-N膜中加入合金元素，形成复合氮化物涂层。

例如目前在硬质合金涂层刀具中应用最多的TiAIN三元涂层，可通过调整AI元素的成份比例来获得不同的膜层性能。如在Ti-N中加入碳元素，通过碳原子的固溶和析出，可形成Ti(C、N)三元涂层，与Ti-N的单一涂层相比，这些多元涂层具有良好的综合性能，提高了抗氧化温度和耐磨性，又有低的摩擦系数。在Ti-N中同时加入AI、C元素，即可构成TiAICN的四元膜层(见图1)。该膜层具有良好的热稳定性、高耐磨性和低摩擦的综合性能，已于硬加工领域的涂层立铣刀大量使用。如用于硬化模块的成型加工，不仅提高了加工效率，获得了良好的加工表面而且解决了先成型加工后热处理产生的变形问题，提高了模具的制造精度。

图1 TiAICN的四元膜层

理论上而言，各种元素均可成为构成膜系材料的元素，但实际的应用尚有一定局限性，除上述膜系材料外，目前商业应用的尚有CrN、TiB2、CrSiN、ZrN、Al2O3、WC/C、MoS2和NbN等。

工艺组合的多样化

涂层的另一趋势是工艺组合的多样化。目前单一涂层无法适应现代切削加工中日趋复杂的工况和服役条件，为此，涂层多样化的工艺组合便应运而生，首先是由单层涂发展成多层涂。多层膜是一种金属或合金沉积在另一种金属或合金上形成的组分或结构周期性变化的膜层结构，每相邻两层形成一个周期(见图2)，各层金属和合金成份、厚度以及周期数均可根据需要进行选择，另外如CVD与PVD的工艺组合，预氮化(离子氮化)和PVD的组合工艺等均已获得商业应用。同时梯度涂层和纳米膜层复合工艺等亦已普遍应用。

图2 TiAN的多层膜

在多层膜研究中，利用多层膜具有的界面效应和层间耦合效应以及裂纹尖端钝化、裂纹分支及沿界面的界面开裂等增韧机制来提高多层膜的韧性，从而获得许多与单层膜不同的特性。在多样化的工艺组合中，只要通过合理的工艺设计便可获得具有良好综合性能的膜层结构。

显微组织的纳米结构

显微组织的纳米结构亦是当前涂层研究的热点。在研究中发现，一些超硬纳米复合薄膜体系表现出优越的力学性能，如图3所示的TiN-CrN/AlN纳米复合图层，又如在最佳的复合膜周期下，其最高硬度可达45Gpa。

图3 TIN-CrN纳米膜

具有一定代表性的是AITiN晶粒与无定型Si3N4纳米组分构成的纳米混合膜，其硬度亦可达45GPa，膜的稳定性和抗氧化性可达1000℃。可见在TiN膜中加入少量的Si能够细化TiN晶粒，甚至可至纳米级，提高其硬度至40~50Gpa。故在新一轮的涂层研究中，含Si的纳米结构膜层将可能成为新一代涂层的代表。

纳米组分(晶粒)的薄膜是涂层膜的另一种显微结构(见图4)，亦称纳米晶膜，如一种新开发的TiAIN纳米晶膜涂层，它具有很高的耐热性能，在钢、钛和钛合金、耐热合金等材料的加工中有极好的加工效果，同时还可加工硬化的模具钢，其主要特点是涂层有15层，膜层厚度为0.08～0.13mm的纳米晶膜。但是在纳米多层膜体系的研究中，对于多层膜的生长方式、界面结构、显微硬度随调制周期的变化以及多层膜的强韧化机理等的研究，尚有大量工作要做。

图4 纳米晶混合膜

金刚石涂层

涂层技术中的另一个亮点是金刚石涂层。金刚石膜具有优良的力学、热学、电学和光学性能，其硬度达100GPa。金刚石涂层是近几年来研究成功的新刀具涂层技术之一，它主要用于加工石墨零件和纤维增强等非金属工件以及微型刀具涂层等。德国CemeCon公司开发CC DIA 金刚石涂层是一种纯晶体金刚石涂层，该涂层特别满足于石墨加工过程的性能要求(见图6)。

图5a 纳米晶多层膜 图5b 纳米晶多层模型图

图6a 晶体结构金刚石涂层 图6b 纳米结构金刚石涂层

在目前已知的材料中，该晶体结构具有最高的硬度和耐磨性，通常一件刀具就可以完成大型、复杂组件的制造，因为它充分反应了石墨在特定应用条件下的基体材料和刀具几何形状三者的有机结合。但由于以SP3为主要结构成分的金刚石涂层存在内应力高、热稳定性差以及与黑色金属间的触媒效应使SP3向SP2转变等问题 ，会影响其结合力，故在金刚石涂层中，基材与金刚石膜层间的过渡层是关键，有文献报道了一种制备方法：首先用激光蒸发法在钢表面上沉积一层纳米TiN，再用CVD法把金刚石纳米粒子沉积到TiN涂层上，然后再涂上一层TiN，金刚石纳米粒子镶在两层TiN薄膜中形成纳米复合涂层，这种涂层结构不但具有良好的硬度、耐热冲击能力，而且与钢基体有极强的附着力。

金刚石涂层除了在加工石墨件中表现出良好的性能外，在高硅铝合金以及叠层结构的钛合金复合材料的加工中同样显示了优越的性能。它避免了复合材料中的元素导致刀刃快速磨损和其它元素向刀刃粘附转移等倾向。由于金刚石膜层存在热稳定性差的缺点，在使用上有一定局限性，故近年来以SP2结构为主的类金刚石涂层(也称为类石墨涂层)(见图7)DLC亦开始了商业应用。DLC硬度可达到20～40GPa，但不存在与黑色金属起触媒效应的问题，其摩擦系数低，又有很好的抗湿性，可用于加工钢铁材料。

图7 DLC涂层

金刚石涂层或类金刚石涂层的摩擦系数只有钢的1/6～1/12，在切削加工中有自润滑功能，可有效减少或免除切削加工中切削液带来的污染问题，实现微润滑和干切削，提升了切削加工的技术水平，并在整个切削加工中大大增加了有效加工的比率，促进了高效加工，降低了加工成本，同时还可与耐磨膜层组成具有综合性能的复合膜。目前该涂层已开始在切削领域得到应用。

涂层设备的发展

为适应涂层技术的飞速发展，近几年来，涂层设备的发展也日新月异，整机的高度集成化、结构的模块化和运作的智能化，不仅实现了设备现代化，同时可满足适时技术升级的需要，工艺日趋个性化，调节灵活，并具有高稳定性和高可靠性，可实现涂层的精益生产和清洁(绿色)生产，从而大大提升了切削刀具的技术性能，增加了刀具的附加值，使切削刀具成为高技术含量的产品，为我国的数控加工技术和自动化生产提供了很好的物质基础，真正实现了涂层技术与现代切削刀具的相互驱动，共同发展，为我国制造业的发展推波助澜。

目前涂层设备存在的问题主要是高端设备几乎完全依赖由国外引进，本土化的消化吸收进展缓慢，在自主创新方面缺乏平台，导致国产涂层设备整体技术水平与欧美等发达国家存在较大差距，从而亦制约了本土化涂层技术的创新发展，在一定程度上影响了我国现代切削刀具的发展速度，这便是涂层技术与现代切削刀具互动发展中急需解决的问题。