1、刀具涂層制備方法及應用摘要：隨著科學技術的發展，難加工材料的使用越來越多，為了適應這一要求，現代機械加工工業正朝著高精度、高速切削、干式切削技術、綠色制造以及降低成本等方向發展，也因為如此，人們對制造用刀具提出了更高的要求。涂層刀具有高硬度和優良的耐磨性，延長了刀具的壽命。當前刀具涂層制備方法主要包括化學氣相沉積和物理氣相沉積，刀具涂層的種類也日益豐富。涂層刀具的發展呈現涂層成分多元化，涂層結構多層化，涂層基體梯度化和涂層工藝靈活化的趨勢。目前刀具涂層的制備也存在許多不足之處，主要體現在相關技術的研究不夠深入方面。本文就刀具涂層的制備方法、刀具涂層制備問題以及刀具涂層的應用等方面進行了一些論述

2、。關鍵詞：刀具涂層 CVD PVD 綠色制造 清潔化生產1、前言隨著科學技術的進步，難加工材料的使用日益增多，材料的力學性能不斷提高，而且，對加工效率的要求也不斷提高，傳統的未涂層刀具常常不能適應新的要求。盡管目前常用的刀具如高速鋼刀具（硬度66-70HRC）和硬質合金刀具（硬度89-93.5HRC）的硬度都很高，但是對于難加工材料的高效加工已不適用。雖然可以采取各種措施提高刀具材料的硬度與耐磨性，但同時必然帶來刀具材料抗彎強度和沖擊韌性的下降，即材料變脆，從而影響刀具的使用性能。在高速鋼刀具基體和硬質合金刀具基體上涂覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜（如TiC，TiAIN，

3、Al203等）的涂層刀具，結合了基體高強度、高韌性和涂層高硬度、高耐磨性的優點，降低了刀具與工件之間的摩擦因數，提高了刀具的耐磨性而不降低基體的韌性。因此，刀具涂層技術是解決刀具材料中硬度、耐磨性與強度、韌性之間矛盾的一個有效措施。刀具涂層是一種耐磨涂層，其特性要求是：耐磨性好、硬度高、化學穩定性好、摩擦系數低、導熱性及穩定性好。刀具涂層有類似于冷卻液的功能，它產生一層保護層，把刀具與切削熱隔離開來（因為難熔金屬化合物有比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數），使熱量很少傳到刀具，從而能在較長的時間內保持刀尖的堅硬和鋒利。表面光滑的涂層（軟涂層）還可以減少摩擦來降低切削熱，保持刀具材料不受化學

4、反應的作用，因為在大多數高速干切削中，高溫對化學反應有很大的催化作用。通常軟涂層和硬涂層作復合涂層，形成一個多涂層刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系數小、切屑易流出的優點，有優良的替代冷卻液的功能。在干切削技術中，刀具涂層發揮著非常重要的作用。2、刀具涂層常用制備方法刀具涂層的制備方法有很多包括氣相沉積、熱噴涂、化學熱處理、熱反應擴散沉積、溶膠凝膠等。氣相沉積應用比較多，制備涂層質量好，己經逐步成為刀具涂層制備方法的主導。氣相沉積技術分為化學氣相沉積（chemical vapor deposition CVD）和物理氣相沉積（physical vapor deposition PVD

5、）2.1化學氣相沉積（CVD） CVD即化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition)法是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其它化學成分，在9501050高溫下，進行分解、熱合等氣固反應，或利用化學傳輸作用，在加熱基體表面形成固態沉積層的一種方法。圖1 CVD涂層技術采用CVD表面涂層技術，可在各種硬質合金、各種工具鋼、模具鋼、合金鋼零件表面牢固地涂復一層碳化物、 氧化物、 氮化物、 硼化物、 硼化物等超硬材料，從而可使刀具、 模具、 機械零件獲得高韌性、 耐磨損 、抗腐蝕等優良的復合機械性能，提高使用壽命26倍，有的甚至可達十幾倍，同時，可提高生產效率50%以上。利用化學氣相沉

6、積法制備耐磨涂層在金屬切削用刀具行業中應用非常廣泛，如在刀具基體上沉積TiN，TiC，Ti(CN)，TiSiN，TiSiCN，TaC，ZrN，HfN，Al2O3，TiB2等，與其他薄膜沉積技術相比，CVD法具有設備簡單、適合涂鍍各種復雜形狀的部件、涂層與基體結合強度高等優點。與物理氣相沉積（PVD）法相比，從工藝上講它最突出的缺點是沉積溫度太高，給刀具帶來了一些性能上的缺陷，如刀具切削刃需經過鈍化預處理，刀具表面易出現殘余拉應力，且不能用于高速鋼刀具表面涂層，因為沉積溫度超過了高速鋼的相變溫度（約560）。為解決CVD工藝溫度高的問題，低溫化學氣相沉積（PCVD），中溫化學氣相沉積（MT-CV

7、D）技術相繼開發并投入實用。目前，CVD（包括MT-CVD）技術主要用于硬質合金可轉位刀片的表面涂層，涂層刀具適用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。2.2物理氣相沉積（PVD）物理氣相沉積是利用某種物理過程，如物質的蒸發或受到粒子轟擊時，物質表面原子的濺射等現象，實現物質原子從源物質到沉積涂層的可控轉移過程，是在分子原子的尺度上沉積涂層。與CVD涂層技術相比PVD涂層技術有以下幾個優點：（1） PVD技術的沉積溫度低,可以在200600及以下沉積TiN等超硬涂層，因此不會降低基體材料原有抗彎強度；（2）涂層具有微細結構，在涂層內部產生壓應力，抗裂紋擴展能力強；（3）涂層表面光滑，比CVD

8、涂層更能有效地阻止前刀面的橫裂紋擴展，同時還可以降低摩擦系數；（4）可以使用刃口鋒利的刀具作基體，這一點對于高速切削非常重要；（5）對環境無不利影響，符合現代綠色制造的發展方向等。圖2 PVD涂層技術由于PVD涂層技術所具有的這些優異特性，自二十世紀七十年代末出現以來在世界范圍得到了迅速推廣和廣泛應用，PVD涂層工藝也從單一涂層技術發展為多種PVD涂層工藝的組合使用的復合PVD涂層技術。2.2.1單一PVD涂層技術目前常用的單一PVD涂層技術根據施加于蒸發離子上的能量不同可分為蒸發鍍(EP，Evaporating Deposition)、離子鍍(IP，Ion Plating)和濺射鍍(SP，S

9、puttering Plating)三大類。（1)蒸發鍍EP是在10-510-6 Torr真空條件下，采用電阻、電子束等加熱材料使之蒸發成為氣相的原子或分子沉積到工件的表面，生成一個新的沉積層。該技術設備簡單，生產成本較低，涂層精細、光滑、不含顆粒、雜質等，適合大規模生產。蒸發鍍膜的不足之處是沉積的表面涂層與基體材料的結合力比較差，而且對一些難熔金屬的氣相沉積也有一定的難度。在沉積過程中通常只使用一種材料的靶材，繞射性很差，較難滿足超硬材料鍍膜的需要。目前常用于刀具涂層的方法有：低壓電子束蒸發法、陰極電弧沉積法、三極管高壓電子束蒸發法等。 圖3 蒸發鍍膜原理(2)濺射鍍SP是在真空室中利用荷能

10、離子轟擊靶材表面，通過粒子的動量傳遞轟擊出靶材中的原子及其它粒子，并使其沉積在基體上形成鍍膜的技術。SP能實現大面積快速沉積，凡是能夠制成靶的金屬化合物、介質均可做鍍膜材料，鍍膜密度好，附著性好，具有代表性的方法有陰極（二極）濺射鍍膜、三極濺射鍍膜、四極濺射鍍膜、射頻濺射鍍膜、磁控濺射鍍膜、反應濺射鍍膜等。其中，磁控濺射鍍膜又稱高速低溫濺射，沉積速率高，工作氣壓低，鍍膜質量高，工藝穩定，便于大規模生產，其發展引起了鍍膜工藝的深刻變化，特別是近幾年來在切削刀具上的涂層應用取得了巨大的發展。目前SP技術的發展趨勢是不斷擴大離子濺射涂層工藝的應用范圍，因為離子濺射具有靈活性及低沉積溫度兼容性的優勢，

11、而非平衡磁控濺射(UMS，Unbalanced Magnetron Sputtering)涂層工藝則是SP領域極具潛力的方法。 圖4 濺射鍍膜原理(3)離子鍍IP是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發物質部分離化，在氣體離子或被蒸發物質離子轟擊作用的同時，把蒸發物質或其反應物沉積在襯底上。離子鍍是一種應用較多的超硬材料鍍膜技術，它是在真空鍍膜的基礎上再加上等離子體激活，即在工件上加上1千伏5千伏的負電壓，通入工作氣體（常用氬氣），真空室內的壓強由10-310-6 Torr上升到2×10-15×10-2 Torr。在電場作用下，工作氣體被電離，產生輝光放電，在工件周圍形成

12、一個等離子體區，氣相沉積的粒子經過等離子區時，也會被電離成離子，在負電壓的作用下加速飛向工件表面，形成表面涂層。IP的鍍層繞射性較好，工件處于電場中，使得鍍膜材料的離子能夠達到工件的所有表面，鍍膜粘結性好，組織致密。常用的IP技術有直流二極IP、直流三極IP、空心陰極IP，活化反應IP、電弧IP等。目前在切削刀具超硬材料鍍膜中應用較為成功的技術是多弧IP，具有代表性的制造廠家，如美國的Multi-Arc Inc。 圖5 離子鍍原理2.2.2 復合PVD涂層技術由于單一PVD涂層技術其固有的特點和局限性，往往很難滿足機械加工對切削刀具苛刻的要求，因而出現了將不同PVD涂層技術或表面處理技術以適當

13、的順序和方法加以組合，形成新的復合涂層技術，使得在同一刀具的涂層體系中，內層涂層提供與基體特殊的附著力和較高耐磨性，外層從而獲得任何單一技術不能達到的具有良好綜合物理機械性能的刀具表面。以下是幾種可用于高速鋼刀具的先進的復合PVD涂層技術。（1） 離子束輔助沉積(IBAD，Ion Beam Assisted Deposition)技術是兼有氣相沉積與離子注入優點的一種新型PVD技術。在離子鍍鍍膜技術和離子濺射鍍膜技術等等單一PVD涂層技術中，涂層沉積涂層元素以離子形式在電場作用下以更大的速度向工件表面沉積，而且在離子鍍鍍膜技術和離子濺射鍍膜技術在沉積之前，可以先用工作氣體離子轟擊（在電場作用下

14、）工件表面，以清除表面的有害化合物和表面缺陷。這些都有利于改善表面涂層和工件表面的結合性能。用上面的各種方法制備的表面涂層，即使加了離子束的激發和加速，但是終因能量還不夠高，表面涂層和基體材料之間還是有明顯的界限，基本上沒有過渡層，其結合力雖然通過一些方法得到了改善，但終究還是有限的，涂層的剝落仍是一個主要的缺點。為了繼續改善表面涂層的結合力問題，人們將離子注入引入表面涂層的過程，離子束輔助沉積就是在氣相沉積中引入離子注入的一種新型PVD涂層技術。離子束輔助沉積ABS的特點是在離子束濺射沉積的基礎上，又加進一個能量更高的離子束，成為雙離子束沉積技術：一個能量為幾個千電子伏的離子束用于濺射沉積，

15、另一個能量為10千電子伏 100千電子伏的離子束用于離子注入。既可以表面涂層沉積和離子注入同時進行，也可以先進行表面涂層沉積再進行離子注入。用于離子注入的離子束具有高得多的能量，其射程可以穿過表面涂層，引起涂層原子和基體材料原子之間的相互滲透和相互混合，這就是所謂的離子束混合過程。這樣就在界面區形成了一個過渡層，大大增強了表面涂層與基體材料之間的結合力。有人把這個過程比喻為“離子束縫合”，離子束好像針線一樣，把表面涂層和基體材料牢牢地“縫合”在一起。（2）弧濺射(ABS，Are Band Sputtering)技術是將電弧離子鍍AIP與濺射鍍SP相結合的復合PVD涂層技術。用ABS技術制備的T

16、iAIN多層復合涂層具有與基體結合強度高、組織致密、表面光滑、尤其適于沉積高活性的元素(如1Va族元素)。提高了高速鋼刀具的抗磨性、熱穩定性及抗氧化性能等特性，更適于用較高的速度干式切削加工鑄鐵及不銹鋼等材料；采用ABS技術在M2或BM2高速鋼基體上制備的TiAlCrN、TiAlCrYN多元復合涂層和TiAlNCrN多層復合涂層在干式條件下表現出更優異的抗磨損性能和具有更高的承載能力。（3）閉合場磁控濺射離子鍍(CFMSD，Closed Field Magnetron Sputter Ion Plating)和非平衡磁控濺射離子鍍(UMSnD，Unbalance Magnetron Sputt

17、er Ion Plating)是Teer公司研制開發兩種非常通用的復合PVD技術。特別適于多元、多層復合涂層的設計與沉積，可成功地進行CrTiAIN、NbxTiyN、NbZryN和MoxZryN等硬涂層及MoST和GraphitIc等固體潤滑涂層的沉積。3、 涂層刀具的應用3.1 刀具涂層的特性(1)硬度涂層帶來的高表面硬度是提高刀具壽命的最佳方式之一。一般而言，材料或表面的硬度越高，刀具的壽命就越長。氮碳化鈦(TiCN)涂層比氮化鈦(TiN)涂層具有更高的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂層的硬度提高了33，其硬度變化范圍約為HV30004000。表面硬度高達HV9000的CVD金剛石涂層

18、在刀具上的應用己較為成熟，與PVD涂層刀具相比，CVD金剛石涂層刀具的壽命提高了1020倍。金剛石涂層的高硬度和切削速度可比未涂層刀具提高23倍的能力使其成為非鐵族材料切削加工的不錯選擇。(2)耐磨性耐磨性是指涂層抵抗磨損的能力。雖然某些工件材料本身硬度可能并不太高，但在生產過程中添加的元素和采用的工藝可能會引起刀具切削刃崩裂或磨鈍。(3)表面潤滑性高摩擦系數會增加切削熱，導致涂層壽命縮短甚至失效。而降低摩擦系數可以大大延長刀具壽命。細膩光滑或紋理規則的涂層表面有助于降低切削熱，因為光滑的表面可使切屑迅速滑離前刀面而減少熱量的產生。與未涂層刀具相比，表面潤滑性更好的涂層刀具還能以更高的切削速度

19、進行加工，從而進一步避免與工件材料發生高溫熔焊。（4） 氧化溫度氧化溫度是指涂層開始分解時的溫度值。氧化溫度值越高，對在高溫條件下的切削加工越有利。雖然TiAlN涂層的常溫硬度也許低于TiCN涂層，但事實證明它在高溫加工中要比TiCN有效得多。TiAIN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAIN成為硬質合金刀具的首選涂層，硬質合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAIN涂層。(5)抗粘結性涂層的抗粘結性可防止或減輕刀具與被加工材料發生化學反應，避免工件材料沉積在刀

20、具上。在加工非鐵族金屬(如鋁、黃銅等)時，刀具上經常會產生積屑瘤，從而造成刀具崩刃或工件尺寸超差。一旦被加工材料開始粘附在刀具前刀面上，粘附就會不斷擴大。例如，用成型絲錐加工鋁質工件時，加工完每個孔后絲錐上粘附的鋁都會增加，以至最后使得絲錐直徑變得過大，造成工件尺寸超差報廢。具有良好抗粘結性的涂層甚至在冷卻液性能不良或濃度不足的加工場合也能起到很好的作用。3.2 常用的刀具涂層（1）氮化鈦涂層(TiN，顏色：金黃色)TiN是一種通用型PVD涂層，具有硬度高、韌性好、結合強度高、摩擦系數小和化學性能穩定等優點。該涂層用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得很不錯的加工效果。（2） 碳化鈦涂層（TiC，

21、顏色：灰色）TiC是一種高硬度耐磨化合物，硬度比TiN更高且具有較好的綜合機械性能，因而應用更廣。（3） 氧化鋁涂層（Al2O3，顏色：黑色）氧化鋁涂層具有很高的硬度（尤其是在高溫下），高溫穩定性（·），化學穩定性和低熱導率。在抗氧化磨損和抗擴散磨損性能上，沒有任何材料能與氧化鋁相比。但由于氧化鋁與基體材料的物理、化學性能相差太大，單一的氧化鋁鍍層無法制成理想的鍍層刀具。（以上三種材料在涂層技術發展的最初階段得到普遍適用，隨著對刀具涂層材料的不斷深入研究，開發出了許多新的硬質涂層新材料，如TiCN、TiAlNAlTiN、CrN、類金剛石涂層（DLC）等。（4）氮碳化鈦涂層(TiCN)

22、TiCN是在單一的TiC晶格中，氮原子(N)占據原來碳原子(C)在點陣中的位置而形成的復合化合物，TiCxNy中碳氮原子的比例有兩種比較理想的模式，即和。由于TiCN具有 TiC和TiN的綜合性能，其硬度(特別是高溫硬度)高于 TiC和TiN，因此是一種較理想的刀具鍍層材料。（5）氮鋁鈦或氮鈦鋁涂層(TiAlNAlTiN，顏色：深紫色)TiAlN涂層在切削過程中鋁氧化而形成Al2O3，從而起到抗氧化和抗擴散磨損作用，但其抗氧化性能比單一的Al2O3涂層稍差，因為TiAlN中形成的Al2O3在切削過程中邊生成邊磨掉。但在高速切削時，其效果優于不含鋁的TiCN鍍層。當Al含量超過50時，為了區別于

23、TiAIN，有人稱其為AlTiN。A1TiN涂層可提供比TiAlN涂層更高的表面硬度，因此它是高速加工領域又一個可行的涂層選擇。A1TiN涂層的硬度隨含鋁量的增加而提高，鋁含量可以超過65；當鋁含量提高后也會形成較軟的AlN相，使其硬度降低，但是鋁含量并不是影響硬度的唯一因素。（6）氮化鉻涂層(CrN)CrN是一種無鈦涂層，涂層良好的抗粘結性使其在容易產生積屑瘤的加工中成為首選涂層。適用于切削鈦和鈦合金、銅、鋁和其他軟材料，化學穩定性好，不產生粘屑。涂覆了這種幾乎無形的涂層后，高速鋼刀具或硬質合金刀具和成形工具的加工性能將會大大改善。（5）類金剛石涂層(DLC)類金剛石涂層(DLC)是一種在微

24、觀結構上含有金剛石成分的涂層，是新一代硬質涂層技術和應用的典型代表以及發展方向。類金剛石涂層可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工石墨、金屬基復合材料、高硅鋁合金及許多其它高磨蝕材料的理想涂層（注意：純金剛石涂層刀具不能用于加工鋼件，因為加工鋼件時會產生大量切削熱，并導致發生化學反應，使涂層與刀具之間的粘附層遭到破壞）。隨著實踐中對刀具涂層功能要求的不斷提高，人們對涂層材料的研究不斷深入，以及納米技術的拓展應用，人們又將Cr、Zr、和Si等元素融進刀具涂層中，進一步改善了涂層刀具的硬度、韌性和使用壽命。3.3 刀具涂層的成功應用實現涂層的高性價比應用可能取決于許多因素，但對于每種特定的加

25、工應用而言，通常只有一種或幾種可行的涂層選擇。涂層及其特性的選擇是否正確可能就意味著加工性能明顯提高與幾乎沒有改善之間的區別。切削深度、切削速度和冷卻液都可能對刀具涂層的應用效果產生影響。由于在一種工件材料的加工中存在著許多變量，因此確定選用何種涂層的最好方法之一就是通過試切。人們正在不斷開發更多的新涂層，以進一步提高涂層的耐高溫、耐摩擦和耐磨損性能。4、刀具涂層制備存在問題如前所述，刀具涂層的制備方法日趨成熟，研究出的刀具涂層種類也越來越多。所有的這些成果都為各種零件、模具的加工帶來了巨大成效。目前刀具涂層制備存在的主要問題有：(1) PVD工藝處理溫度較低，因此涂層與刀具基體、涂層與涂層之

26、間的界面結合強度較低，一方面使涂層厚度受到了限制，同時使涂層在切削負荷的作用下很快因開裂和剝落而失效；(2) 涂層與刀具基體的性能差異較大，涂層內易形成較大的殘余應力，導致刀具在切削(尤其是斷續切削，如銑削等)負荷的作用下，易產生微裂紋；(3) 對PVD刀具涂層技術，包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝和檢測技術等的研究還不夠深入，未能形成完整、可靠的技術資料，難以保證涂層設備長期穩定、正常的使用，導致涂層刀具性能不穩定；(4) 對涂層刀具的切削機理和磨損機理等的研究還不夠深入，難以針對不同工件材料的不同加工條件進行刀具涂層的特殊設計和制備；(5) 對涂層刀具的切削性能和應用技術等的研究還不夠深入，不能使涂層刀具的使用者方便地選擇和合理地應用；(6) 涂層刀具的價格較高，使其推廣應用受到了一定限制。5、展望在金屬切削加工中，人們常常使用切削液以起到冷卻、潤滑與排屑的作用，改善加工過程的摩擦磨損狀態，從而提高工件的表面質量，延長刀具的使用壽命。然而，由于切削液的使用使得零件制造成本大大提高，切削液也成為了金屬切削加工中造成環境污染的一個重要根源。為使金屬切削加工盡可能地減少污染，人們提出了“綠色制造”與“清潔化生產"的概念。干切削是消除切削液污染，降低產品成本，實現清潔化生產的最有效的途徑。干式切削技術已成為金屬切削加工發展的趨勢。涂層刀具具有延長刀具壽命