刀具涂層材料的分類及研究進展摘要：采用涂層技術可有效提高切削刀具的使用壽命,使刀具獲得優良的綜合機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。我國的刀具涂層材料經過多年發展，目前正處于關鍵時期，充分了解國內外刀具涂層材料的現狀及發展趨勢，有計劃、按步驟地發展刀具涂層材料，對提高我國切削刀具制造水平具有重要意義。關鍵詞：涂層刀具硬度膜ProgressinthecoatingmaterialsfortoolsandtheirclassificationAbstract：Coatingtechnologycanbeusedtoimprovetheservicelifeofcuttingtoolseffectivelyandenablethecuttingtoolstoobtainexcellentandcomprehensivemechanicalpropertiesthatwillimprovemachiningefficiencysignificantly.AfteryearsofdevelopmentcurrentcoatingmaterialsforcuttingtoolsisatacrucialperiodinChina,fullunderstandingonpresentstatusanddevelopmenttrendoftoolcoatingmaterialsbothathomeandabroad,andaplannedstep-by-stepdevelopmentofthecoatingmaterialsforcuttingtoolswillbeoffarreachingimportanceforimprovementofourlevelincuttingtoolmanufacturing.KeyWords:Coating，CuttingTool，Hardness，Film數控技術的發展離不開高壽命的切削工具——刀具。自刀具涂層技術從問世以來，刀具的性能得到了很大的改善，對加工技術的進步起著非常重要的作用。涂層刀具已經成為現代刀具的標志，西方國家新型數控機床所用切削刀具中有80%左右使用涂層刀具，而且隨著21世紀科技的發展，涂層刀具的比例將進一步增加。目前在制造業所用硬質合金刀具上采用較多的涂層有TiN、TiC、TiCN、TiAlN以及新出現的AlCrN、TiSiN涂層等等，刀具壽命明顯提高。另外涂層在鉆頭、鉸刀、齒輪滾刀、絲錐上也都獲得很好的應用效果。隨著科技的發展，刀具涂層技術將不斷提高，刀具涂層材料也日新月異。1刀具涂層材料的種類刀具涂層材料有多種分類方法，根據涂層材料的性質，刀具涂層材料可分為兩大類，即:“硬”刀具涂層材料和“軟”刀具涂層材料。“硬”涂層刀具追求高的硬度和耐磨性。目前應用最多的刀具硬涂層材料有金剛石、類金剛石、氮化碳、立方氮化硼以及TiC、TiN、TiCN、Al2O3、TiAlN等及其組合。“軟”刀具涂層材料追求低摩擦系數，與工件材料的摩擦系數很低，可減小粘結，減輕摩擦，降低切削力和切削溫度。“軟”涂層刀具材料主要有MoS2、WS2、CaS2、TaS2等及其組合，又稱為“自潤滑刀具”涂層材料。另外涂層方式有:單涂層、多涂層、梯度涂層、軟/硬復合涂層、納米涂層、超硬薄膜涂層等多種涂層方式，如圖1所示：2常用“硬”刀具涂層材料的發展與應用隨著現代工業產品中各種新型的、難加工材料的涌現以及工件加工精度的不斷提高，傳統的切削刀具材料在很多領域已不能滿足需要，于是超硬刀具材料的開發和應用越來越得到專業技術人員的重視。常用的超硬刀具涂層材料主要有金剛石薄膜、氮化碳涂層、TiN、TiC基涂層等，尤其是TiN、TiC基涂層應用最為廣泛。2．1金剛石薄膜金剛石薄膜具有優異的力、熱、光、電等性能以及高彈性模量和低摩擦系數，具有廣泛的應用前景，特別是在金剛石涂層刀具領域，被認為是金剛石薄膜能夠最先實現產業化的領域之一，受到各國科學界和有關公司的關注，各國都投入了大量人力物力進行研究。自上世紀80年代開展金剛石薄膜研究熱膜，現在，國外已有商業化的金剛石涂層刀具出售，我國雖有許多科研單位都報道在實驗室成功制備出高附著力的金剛石薄膜刀具，但離產品的完全市場化還有一段距離。關鍵問題是要進一步提高附著力的前提下，解決批量生產時產品質量的穩定性和可重復性問題。另外，金剛石薄膜的應用在許多方面取得突破，金剛石涂層工具能加工非鐵合金如Si4.2立方氮化硼(CBN)涂層CBN是繼人工合成金剛石之后出現的另一種超硬材料,它除了具有許多與金剛石類似的優異物理、化學特性(如超高硬度,僅次于金剛石,高耐磨性,低摩擦系數,低熱膨脹系數等外,同時還具有一些優于金剛石的特性。CBN對于鐵、鋼和氧化環境具有化學惰性,在氧化時形成一薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學穩定性,因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優良,在相當高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等,并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對刀具磨損非常嚴重的硅鋁合金等難加工材料。自1987年Ina2gawa等成功地制備了出純的CBN涂層以來,在國際上掀起了CBN硬質涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN涂層的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學輸運PCVD,熱絲輔助加熱PCVD,ECRCVD等;PVD則有反應離子束鍍、活性反應蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。研究結果表明:在合成CBN相、對硬質合金基體的良好粘結和合適的硬度等方面已取得了進展,目前沉積在硬質合金上的立方氮化硼最大僅為012-015Lm,若想達到商品化,則必須采用可靠的技術來沉積高純的經濟的CBN涂層,其厚度應在3-5Lm,并在實際金屬切削加工中證實其效果。4.3CNx涂層二十世代八十年代,美國科學家Liu和Co2hen設計了類似B2Si3N4的新型化合物B2C3N4,并采用固體物理和量子化學理論計算出它的硬度可能達到金剛石,這引起了世界各國科學家的關注。合成氮化碳成為世界材料科學領域的熱門課題。日本Okayama大學的FFujimoto采用電子束蒸發離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達到6317GPa,武漢大學[合成的氮化碳硬度分別達到50GPa,并沉積到高速鋼麻花鉆上,獲得非常好的鉆孔性能。合成氮化碳的主要方法有真流和射頻反應濺射法、激光蒸發和離子束輔助沉積法ECR-CVD法、雙離子束沉積法等。5結語目前刀具涂層材料的開發研究和在制造業的應用研究都有加速的趨勢，涂層結構正向著納米級多元化、復合化和多層化的方向發展。在多層涂層中尤其是納米多層膜，各單一成分涂層的厚度將越來越薄，