1、2 0 0 7 年 1 2 月D e c . 2 0 0 7第 2 4 卷 第 4 期V o l . 2 4 N o . 4硬 质 合 金C E M E N T E D C A R B I D E!“!“! ! ! ! “!“综 合 评 述刀 具 涂 层 技 术 及 其 发 展雒 有 成（ 河 南 理 工 大 学 高 等 职 业 学 院 ， 河 南 焦 作 4 5 4 0 0 0 ）摘 要 随 着 切 削 技 术 向 着 高 速 、 高 效 、 干 式 的 方 向 发 展 ， 刀 具 涂 层 技 术 得 到 了 广 泛 的应 用 ， 并 成 为 了 左 右 切 削 技 术 发 展 的 主 要
2、因 素 。 本 文 介 绍 了 各 种 刀 具 涂 层 材 料 、 刀 具 涂层 结 构 和 刀 具 生 长 工 艺 的 研 究 现 状 。 对 刀 具 涂 层 的 发 展 方 向 提 出 了 个 人 见 解 。关 键 词 涂 层 刀 具 涂 层 材 料 涂 层 结 构 涂 层 工 艺作 者 简 介 ： 雒 有 成 （ 1 9 6 6 - - ） ， 男 ， 本 科 ， 讲 师 。 工 作 单 位 ： 河 南 理 工 大 学 高 等 职 业 学 院 。 研 究 方 向 ： 机 械 加 工 。随 着 现 代 化 金 属 切 削 加 工 的 发 展 ， 未 来 的 刀 具需 要 满 足 高 切 削
3、 速 度 、 高 进 给 速 度 、 高 可 靠 性 、 长 寿命 等 ， 并 且 需 要 适 应 高 度 自 动 化 生 产 需 求 。 传 统 无 涂层 刀 具 由 于 高 温 性 能 差 ， 易 磨 损 已 经 无 法 适 应 现 代高 效 、 高 精 密 加 工 的 发 展 要 求 。 涂 层 技 术 在 刀 具 上 的应 用 为 现 代 化 金 属 加 工 技 术 开 辟 了 新 的 航 线 1 。 在切 削 加 工 中 ， 刀 具 性 能 对 切 削 加 工 效 率 、 精 度 、 加 工表 面 质 量 等 有 着 决 定 性 的 影 响 。 刀 具 性 能 的 两 个 关键 指
4、标 硬 度 和 强 度 ( 韧 性 ) 之 间 又 存 在 着 矛 盾 ，硬 度 高 的 材 料 往 往 强 度 和 韧 性 低 ， 而 要 提 高 韧 性 往往 是 以 硬 度 的 下 降 为 代 价 的 。 涂 层 技 术 通 过 改 进 刀具 力 学 性 能 ， 有 效 调 解 了 这 两 者 的 矛 盾 ， 同 时 刀 具 的耐 磨 性 、 高 温 强 度 等 也 得 到 大 大 改 善 。 在 相 对 较 软 的刀 具 基 体 上 涂 覆 一 层 或 多 层 硬 度 高 、 耐 磨 性 好 的 金属 或 非 金 属 化 合 物 薄 膜 ( 如 T i A l N 、 T i C 、
5、T i N 、 A l2O3等 )组 成 的 涂 层 刀 具 ， 是 切 削 刀 具 发 展 的 一 次 革 命 2 。 涂层 刀 具 与 未 涂 层 刀 具 相 比 ， 具 有 明 显 的 优 越 性 : 显 著降 低 摩 擦 系 数 ， 改 善 刀 具 表 面 的 摩 擦 学 性 能 和 排 屑能 力 ； 显 著 提 高 耐 磨 性 和 抗 冲 击 韧 性 ， 改 善 刀 具 的 切削 性 能 ， 提 高 加 工 效 率 和 刀 具 寿 命 ； 提 高 刀 具 表 面 抗氧 化 性 能 ， 使 刀 具 可 以 承 受 更 高 的 切 削 热 ， 有 利 于 提高 切 削 速 度 及 加 工
6、 效 率 ， 并 扩 大 了 干 切 削 的 应 用 范围 ， 从 而 减 少 或 消 除 切 削 液 对 环 境 的 影 响 。 在 先 进 制造 业 中 ， 硬 质 合 金 刀 具 及 高 性 能 高 速 钢 刀 具 ， 8 0 % 以上 都 采 用 了 表 面 涂 层 技 术 , C N C 机 床 上 所 用 的 切 削刀 具 9 0 % 以 上 是 涂 层 刀 具 。 由 于 涂 层 刀 具 的 切 削 速度 高 、 生 产 效 率 高 ， 约 8 0 % 的 加 工 量 由 涂 层 刀 具 完成 。 本 文 重 点 关 注 以 旋 转 刀 具 为 对 象 的 涂 层 技 术 及其
7、发 展 。1 刀 具 涂 层 材 料刀 具 的 涂 层 材 料 主 要 是 一 些 具 有 高 硬 度 的 耐 磨化 合 物 。 常 用 的 涂 层 材 料 有 碳 化 物 、 氮 化 物 、 碳 氮 化物 、 氧 化 物 、 硼 化 物 、 硅 化 物 、 金 刚 石 及 复 合 涂 层 八 大类 数 十 个 品 种 2 。 近 年 来 ， 涂 层 技 术 得 到 了 飞 速 的 发展 ， 涂 层 材 料 方 面 ， 从 最 早 的 T i N 涂 层 ， 已 开 发 出T i C N 、 ( T i , A l ) N 、 A l2O3、 C r N 、 C3N4、 Z r N 等 硬 涂
8、 层 及 超硬 涂 层 材 料 ， 以 及 M o S2、 W S2、 W C / C 等 软 涂 层 材 料 ，从 而 满 足 各 种 切 削 工 艺 的 要 求 。1 . 1 含 钛 硬 涂 层氮 化 钛 （ T i N ） 是 工 艺 最 成 熟 ， 应 用 最 早 、 最 广 泛的 硬 涂 层 材 料 。 它 具 有 较 高 的 化 学 稳 定 性 ， 可 以 大 大减 少 刀 具 与 工 件 之 间 的 摩 擦 系 数 。 目 前 工 业 发 达 国家 T i N 涂 层 高 速 钢 刀 具 的 使 用 率 已 经 占 高 速 钢 刀 具的 5 0 % 7 0 % ， 有 的 不 可
9、 重 磨 的 复 杂 刀 具 的 使 用 率 已超 过 9 0 % 。 但 是 T i N 涂 层 的 耐 氧 化 性 较 差 ， 使 用 温度 达 5 0 0 时 ， 膜 层 明 显 氧 化 而 被 烧 蚀 ， 硬 度 较 低 ，不 能 满 足 现 代 金 属 切 削 对 刀 具 的 技 术 要 求 3 。碳 氮 化 钛 （ T i C N ） 是 通 过 多 元 合 金 化 方 法 ， 向T i N 涂 层 中 加 入 C 元 素 得 到 的 。 由 于 C 元 素 的 引 入 ，涂 层 的 硬 度 和 抗 氧 化 温 度 都 得 到 了 提 高 。 T i C N 涂 层第 2 4 卷第
10、 2 4 卷第 2 4 卷第 2 4 卷在 常 规 加 工 、 温 度 低 于 5 0 0 的 条 件 下 表 现 出 比T i N 及 T i A l N 涂 层 更 优 越 的 性 能 涂 层 硬 度 高 、表 面 粗 糙 度 和 摩 擦 系 数 小 。 此 外 ， 该 涂 层 可 以 和 T i N涂 层 形 成 多 层 膜 结 构 ， 不 但 可 以 保 持 T i N 涂 层 与 基体 材 料 良 好 的 结 合 和 表 面 抗 氧 化 性 能 ， 同 时 多 层 涂层 形 成 的 T i N / T i C N 内 界 面 能 改 变 单 一 涂 层 的 柱 状晶 生 长 结 构
11、， 提 高 涂 层 的 韧 性 ， 从 而 提 高 涂 层 刀 具的 切 削 性 能 。氮 铝 化 钛 系 列 涂 层 ( T i , A l ) N 是 非 常 成 功 的 一种 涂 层 材 料 ， 具 有 高 硬 度 、 氧 化 温 度 高 、 热 硬 性 好 、附 着 力 强 、 摩 擦 系 数 小 、 导 热 率 低 等 优 良 特 性 ， 用 其加 工 高 温 合 金 、 不 锈 钢 、 钛 合 金 和 镍 合 金 时 刀 具 的寿 命 比 T i N 涂 层 刀 具 高 3 4 倍 4 。 不 仅 如 此 ， 在 ( T i ,A l ) N 涂 层 中 如 果 有 合 适 的 铝
12、 浓 度 ， 切 削 加 工 时 在刀 - 屑 界 面 上 容 易 产 生 一 层 硬 的 、 惰 性 的 保 护 膜 ， 该膜 不 仅 可 以 阻 止 涂 层 进 一 步 被 氧 化 ， 而 且 具 有 较 好的 润 滑 性 能 及 隔 热 性 ， 可 以 有 效 地 用 于 高 速 切 削 。( T i , A l ) N 涂 层 的 机 械 物 理 性 能 优 于 T i N 、 T i C N 等 涂层 ， 并 可 以 与 其 他 涂 层 配 合 组 成 多 元 多 层 复 合 涂层 ， 如 T i A l N / A l2O3多 层 P V D 涂 层 ， 这 种 涂 层 的 硬 度
13、可 以 达 到 H V 4 0 0 0 ， 涂 层 的 层 数 可 以 达 到 4 0 0 层 。 目前 ( T i , A l ) N 涂 层 的 发 展 方 向 为 ： 提 高 涂 层 中 的 铝 含量 ； 改 进 涂 层 成 分 ， 在 ( T i , A l ) N 涂 层 中 添 加 C ( 或 S i )作 为 粘 结 剂 强 化 涂 层 的 显 微 结 构 改 善 其 性 能 ， 添 加C r （ 或 O ） 进 一 步 提 高 涂 层 的 氧 化 温 度 ； 改 善 涂 层 的结 构 。 多 层 、 梯 度 和 纳 米 化 也 是 其 发 展 趋 势 。1 . 2 无 钛 硬
14、涂 层A l C r N 涂 层 是 具 有 代 表 性 的 一 种 无 钛 涂 层 ， 与T i A l N 相 比 ， 它 具 有 更 高 的 红 硬 性 及 抗 氧 化 性 能 ， 使用 温 度 可 以 达 到 1 0 0 0 ， 该 涂 层 工 艺 适 合 于 硬 质 合金 及 高 速 钢 材 料 涂 层 ， 用 于 铣 削 和 车 削 加 工 切 削 速度 可 以 达 到 4 0 0 m / m i n 以 上 5 。氧 化 铝 ( A l2O3) 涂 层 材 料 具 有 非 常 好 的 抗 氧 化 磨损 和 抗 扩 散 磨 损 性 能 。 A l2O3的 高 温 耐 磨 性 、 耐
15、 热 性和 抗 氧 化 能 力 比 T i C 和 T i N 好 ， 月 牙 洼 磨 损 率 低 ， 适合 于 高 速 、 大 切 削 热 切 削 。 但 是 由 于 与 基 体 材 料 的物 理 、 化 学 性 能 差 别 太 大 ， 单 一 的 涂 层 无 法 制 成 理想 的 涂 层 刀 具 6 。C B N 涂 层 的 硬 度 和 导 热 率 仅 次 于 金 刚 石 ， 热 稳定 性 极 好 ， 在 大 气 中 加 热 至 1 0 0 0 也 不 发 生 氧 化 。C B N 对 于 铁 族 金 属 具 有 极 为 稳 定 的 化 学 性 能 ， 与 金刚 石 不 宜 加 工 钢 材
16、 不 同 ， 它 可 以 广 泛 用 于 钢 铁 制 品的 精 加 工 、 研 磨 等 。 C B N 涂 层 除 具 有 优 良 的 耐 磨 损性 能 外 ， 还 可 以 在 相 当 高 的 切 削 速 度 下 加 工 耐 热 钢 、钛 合 金 、 淬 火 钢 ， 能 切 削 高 硬 度 的 冷 硬 轧 辊 、 渗 碳 淬火 材 料 和 对 刀 具 磨 损 非 常 严 重 的 S i - A l 合 金 等 。其 它 新 型 开 发 硬 涂 层 材 料 包 括 氮 化 碳 ( C Nx) 、 多晶 氮 化 物 超 点 阵 涂 层 等 。 如 氮 化 碳 ( C N x ) 涂 层 能 够 形
17、成 - C3N4， 理 论 上 可 以 计 算 出 其 硬 度 将 超 过 金 刚 石 ，已 经 有 氮 化 碳 合 成 的 报 道 。 多 晶 氮 化 物 超 点 阵 涂 层 是一 种 很 有 希 望 的 新 型 刀 具 涂 层 ， 多 晶 T i N / N b N 和T i N / V N 超 点 阵 涂 层 的 硬 度 分 别 为 5 0 9 6 0 N / m m2和5 4 8 8 0 N / m m2， 超 点 阵 涂 层 由 于 层 内 或 层 间 位 错 导 致其 硬 度 很 高 。 同 时 还 有 C r C 和 C r N 涂 层 、 H f ( Z r , T i ,T
18、a 等 ) 的 碳 化 物 和 硼 化 物 涂 层 和 H f ( Z r , T i , A l , B e 等 )的 氧 化 物 涂 层 。 C r C 涂 层 的 硬 质 合 金 刀 具 摩 擦 系 数小 ( 0 . 1 0 . 1 5 ) ， 抗 氧 化 温 度 高 。 由 于 材 料 的 亲 和 性 ， 以上 含 钛 硬 质 合 金 涂 层 刀 具 不 适 合 加 工 钛 和 钛 合 金 类材 料 ， 而 C r C 和 C r N 涂 层 硬 质 合 金 是 一 种 无 钛 涂层 ， 可 有 限 地 切 削 钛 、 钛 合 金 、 铝 以 及 其 它 软 材 料 。1 . 3 金
19、刚 石 涂 层 工 具金 刚 石 薄 膜 具 有 接 近 天 然 金 刚 石 的 高 硬 度 、 高导 热 系 数 、 低 摩 擦 系 数 、 低 热 膨 胀 系 数 等 优 异 性 能 ，这 些 特 性 使 其 在 切 削 刀 具 领 域 具 有 广 泛 的 应 用 前景 。 N o r t o n 公 司 指 出 ， C V D 金 刚 石 无 论 厚 薄 都 比P C D 硬 度 高 、 导 热 性 好 和 更 耐 高 温 。 在 铣 削 含 S i C 的增 强 型 铝 基 复 合 材 料 A 3 5 6 - T 6 的 试 验 中 ， N o r t o n 公司 的 一 把 9 .
20、 5 4 m m 的 D T - 1 0 0 厚 膜 金 刚 石 立 铣 刀 ，在 切 削 速 度 为 3 5 9 m / m i n ， 即 转 速 为 1 2 0 0 0 r / m i n 时 ，其 寿 命 为 硬 质 合 金 铣 刀 的 3 0 0 倍 。C V D 金 刚 石 涂 层 刀 具 是 通 过 化 学 气 相 沉 积 法在 硬 质 合 金 、 陶 瓷 等 刀 具 材 料 基 体 上 沉 积 一 层 很 薄的 金 刚 石 膜 制 成 的 。 金 刚 石 涂 层 刀 具 具 有 很 高 的 刀具 耐 磨 性 和 良 好 的 刀 具 韧 性 ， 涂 层 摩 擦 系 数 小 ， 导
21、 热性 能 好 ， 抗 冲 击 性 能 好 ， 在 高 硅 铝 合 金 、 金 属 基 复 合材 料 、 工 程 陶 瓷 、 有 色 金 属 、 纤 维 增 强 聚 合 物 层 压 制品 等 材 料 的 切 削 加 工 领 域 应 用 前 景 十 分 广 泛 ， 该 种刀 具 制 造 工 艺 相 对 简 单 ， 成 本 较 低 ， 尤 其 可 以 通 过 在刀 具 基 体 上 直 接 沉 积 而 制 造 复 杂 形 状 金 刚 石 涂 层 刀具 ， 因 而 研 制 开 发 高 性 能 的 C V D 金 刚 石 涂 层 刀 具 将不 仅 直 接 冲 击 未 涂 层 或 其 它 涂 层 硬 质
22、合 金 刀 具 和 陶瓷 刀 具 市 场 ， 而 且 还 成 为 P C D 聚 晶 金 刚 石 刀 具 强 有力 的 竞 争 对 手 。尽 管 国 内 外 制 备 的 金 刚 石 薄 膜 刀 片 已 有 在 生 产上 试 用 成 功 的 报 道 ， 光 明 的 应 用 前 景 已 经 出 现 ， 但 金刚 石 涂 层 刀 具 仍 未 真 正 实 现 规 模 化 生 产 。 原 因 有 两雒 有 成 : 刀 具 涂 层 技 术 及 其 发 展 2 5 3 硬 质 合 金 第 2 4 卷硬 质 合 金 第 2 4 卷硬 质 合 金 第 2 4 卷硬 质 合 金 第 2 4 卷点 ， 其 一 ，
23、各 种 陶 瓷 刀 片 、 聚 晶 金 刚 石 复 合 刀 片 、 金刚 石 厚 膜 刀 片 和 高 性 能 硬 质 合 金 刀 片 的 应 用 使 金刚 石 薄 膜 刀 片 的 市 场 占 有 份 额 极 为 有 限 ； 其 二 ， 高质 量 金 刚 石 薄 膜 刀 片 的 制 备 工 艺 欠 稳 定 ， 切 削 性 能一 致 性 差 。 国 外 在 金 刚 石 涂 层 刀 具 的 研 究 中 所 反 映的 主 要 问 题 包 括 提 高 金 刚 石 薄 膜 与 刀 具 基 体 附 着强 度 、 增 加 金 刚 石 薄 膜 沉 积 速 度 率 和 面 积 、 有 效 而快 速 地 进 行 附
24、 着 强 度 检 测 、 金 刚 石 薄 膜 的 高 效 抛 光等 ， 其 中 ， 有 关 研 究 表 明 7 , 8 ， 金 刚 石 薄 膜 刀 具 在 试 用中 ， 因 薄 膜 开 裂 脱 落 造 成 的 刀 具 非 正 常 失 效 与 因 正常 磨 损 造 成 的 失 效 之 比 为 1 0 ： 1 。 可 见 ， 金 刚 石 薄 膜与 刀 具 基 体 结 合 强 度 低 是 导 致 刀 具 非 正 常 失 效 的主 要 原 因 ， 并 成 为 金 刚 石 薄 膜 刀 具 实 现 产 业 化 的 主要 障 碍 ， 金 刚 石 薄 膜 刀 具 制 备 需 要 解 决 的 关 键 问 题是
25、金 刚 石 薄 膜 与 刀 具 衬 底 之 间 的 附 着 强 度 问 题 ， 国外 围 绕 这 一 关 键 技 术 ， 从 刀 具 材 料 的 优 选 、 刀 具 衬底 表 面 预 处 理 、 C V D 沉 积 工 艺 控 制 及 附 着 强 度 的 检测 评 价 等 方 面 开 展 了 大 量 的 工 作 ， 并 取 得 了 重 要 的研 究 成 果 。钨 钴 类 硬 质 合 金 和 S i3N4陶 瓷 是 作 为 刀 具 基 体直 接 沉 积 金 刚 石 薄 膜 最 常 用 的 材 料 。 但 硬 质 合 金 中的 钴 相 在 C V D 的 条 件 下 会 促 使 金 刚 石 向 石
26、 墨 转 化 ，是 导 致 金 刚 石 膜 附 着 强 度 低 的 重 要 原 因 9 。 一 般 是采 取 酸 液 浸 蚀 表 面 的 方 法 去 钴 ； S i3N4陶 瓷 脆 性 大 ，只 适 于 精 加 工 ， 为 此 须 采 取 S i C 晶 须 增 韧 方 法 。 文 献研 究 表 明 1 0 , 1 1 ， 用 机 械 研 磨 、 离 子 束 轰 击 、 激 光 照 射 以及 等 离 子 刻 蚀 等 表 面 预 处 理 方 法 ， 可 以 改 变 W C - C o基 体 表 面 的 微 观 结 构 和 化 学 成 分 ， 使 钨 钴 类 硬 质 合金 基 体 表 面 成 核
27、密 度 增 大 ， 同 时 抑 制 C o 的 催 石 墨化 作 用 ， 从 而 增 加 金 刚 石 薄 膜 与 刀 具 基 体 的 结 合 强度 。 金 刚 石 薄 膜 与 基 体 材 料 热 膨 胀 系 数 不 同 导 致 的内 应 力 也 是 获 得 高 附 着 强 度 金 刚 石 薄 膜 的 又 一 障碍 ， 文 献 1 2 在 W C - C o 基 体 和 金 刚 石 薄 膜 之 间 沉 积一 多 层 中 间 过 渡 层 ， 其 结 构 是 W C - 8 % C o / B / T i B2/ B /金 刚 石 ， 中 间 层 既 可 以 作 为 C o 或 C 的 扩 散 障
28、碍 层 ，又 可 以 缓 解 因 热 膨 胀 系 数 不 同 导 致 的 金 刚 石 薄 膜与 基 体 间 应 力 梯 度 ， 提 高 金 刚 石 薄 膜 附 着 强 度 。 中间 过 渡 层 方 法 是 研 究 提 高 金 刚 石 薄 膜 附 着 强 度 的一 个 研 究 热 点 问 题 ， 该 方 法 对 金 刚 石 、 多 层 膜 中 间层 及 基 体 之 间 的 晶 格 匹 配 性 和 热 学 匹 配 性 要 求 严格 ， 控 制 环 节 多 ， 过 程 复 杂 ， 对 设 备 条 件 要 求 较 高 ，离 应 用 到 刀 具 还 有 较 大 距 离 。 因 此 ， 如 果 综 合 各
29、 种方 法 的 优 点 ， 特 别 是 从 产 业 化 的 角 度 ， 研 究 一 种 相对 简 便 的 C V D 涂 层 工 艺 ， 在 低 成 本 地 制 备 高 附 着 强度 金 刚 石 薄 膜 方 面 取 得 更 好 的 效 果 ， 对 于 C V D 金 刚石 涂 层 刀 具 的 推 广 应 用 至 关 重 要 。如 何 在 获 得 高 附 着 强 度 的 同 时 能 够 尽 可 能 地降 低 金 刚 石 薄 膜 摩 擦 系 数 和 表 面 粗 糙 度 ， 也 是 金 刚石 涂 层 刀 具 实 用 化 过 程 中 的 难 题 。 据 报 道 1 2 K a z u h i s a采
30、 用 离 子 注 入 法 往 金 刚 石 薄 膜 中 注 入 碳 ， 使 薄 膜 摩擦 系 数 减 小 ， 比 无 碳 薄 膜 的 摩 擦 系 数 及 磨 损 率 降 低两 个 数 量 级 ， 因 此 开 展 这 方 面 C V D 涂 层 新 工 艺 研究 ， 对 于 提 高 金 刚 石 薄 膜 表 面 的 光 洁 度 ， 改 善 金 刚石 涂 层 刀 具 的 性 能 将 具 有 非 常 重 要 的 意 义 。1 . 4 软 涂 层 ( 自 润 滑 涂 层 )软 涂 层 刀 具 通 常 也 称 为 自 润 滑 刀 具 ， 追 求 的 目标 是 低 摩 擦 系 数 ， 增 加 刀 具 表 面
31、的 润 滑 性 能 ， 在 切削 加 工 中 减 少 工 件 与 刀 具 之 间 的 摩 擦 ， 防 止 积 屑 瘤的 产 生 从 而 提 高 加 工 表 面 质 量 ， 延 长 刀 具 寿 命 。 在某 些 情 况 下 ， 一 些 材 料 并 不 适 合 采 用 硬 涂 层 刀 具 加工 ， 如 在 航 空 航 天 中 的 一 些 高 强 度 铝 合 金 、 钛 合 金等 。 这 些 材 料 在 加 工 中 非 常 粘 刀 ， 在 刀 具 前 刀 面 生成 积 屑 瘤 ， 不 仅 增 加 切 削 热 、 降 低 刀 具 寿 命 ， 而 且 影响 加 工 表 面 质 量 。 采 用 软 涂 层
32、 材 料 刀 具 可 获 得 更 好的 加 工 效 果 。通 常 的 软 涂 层 有 M o S2、 W S2、 W C / C 、 T a S2/ M o 等 。瑞 士 还 开 发 出 一 种 称 为 “ M O V I C ” 软 涂 层 的 新 工 艺 ，即 在 刀 具 表 面 涂 复 一 层 固 体 润 滑 膜 二 硫 化 钼 ， 刀 具切 削 寿 命 数 倍 增 加 ， 且 能 获 得 优 良 的 加 工 表 面 ； 德国 钴 领 刀 具 有 限 公 司 的 软 涂 层 的 新 品 种 - M o l y G l i d e涂 层 ， 其 硬 度 ( H V 0 . 0 5 ) 仅
33、为 2 0 5 0 ， 它 是 在 硬 涂 层 的基 础 上 涂 附 一 层 0 . 2 0 . 5 m 厚 的 减 摩 涂 层 。M o l y G l i d e 涂 层 与 钢 材 的 摩 擦 系 数 仅 为 0 . 0 5 0 . 1 0 ，是 T i N 涂 层 与 钢 材 的 摩 擦 系 数 的 1 / 4 ， 非 常 适 合 于干 式 或 微 量 润 滑 条 件 下 钻 削 加 工 铝 合 金 、 钛 合 金 等轻 金 属 材 料 。 软 涂 层 在 加 工 高 强 度 铝 合 金 和 贵 重 金属 方 面 有 良 好 的 应 用 前 景 。此 外 ， 国 内 外 对 自 润 滑
34、 涂 层 做 了 大 量 研 究 工作 。 荆 阳 等 1 3 研 究 了 T i A l N - M o S2/ T i A l N 硬 质 润 滑 膜的 摩 擦 性 ， 指 出 在 钻 头 上 沉 积 T i A l N - M o S2/ T i A l N 硬质 膜 ， 可 使 其 在 钻 削 过 程 中 具 有 优 异 的 耐 磨 、 减 摩和 耐 高 温 等 性 能 ， 从 而 大 大 提 高 了 刀 具 的 寿 命 。 F o x等 1 4 , 1 5 研 究 了 M o S2/ T i 和 石 墨 / C r C 润 滑 涂 层 的 摩 擦 润滑 特 性 ， 研 究 表 明 ，
35、 在 往 复 摩 擦 试 验 条 件 下 ， M o S2/ T i润 滑 涂 层 具 有 典 型 的 摩 擦 趋 势 ， 摩 擦 系 数 较 小 ， 且 稳定 。 在 端 铣 A I S I304不 锈 钢 的 实 验 中 （ 铣 刀 1 2 m m ，2 5 4 第 2 4 卷第 2 4 卷第 2 4 卷第 2 4 卷铣 削 深 度 4 m m ， 铣 削 宽 度 2 5 m m ） ， 使 用 M o S2/ T i 和T i C N 复 合 涂 层 的 铣 刀 比 使 用 T i C N 的 铣 刀 提 高 了 加工 距 离 ， 降 低 了 铣 削 力 ， 改 善 了 表 面 质 量
36、。 Y o u r o n gL i u 等 1 6 研 究 了 M o S2涂 层 陶 瓷 刀 具 的 切 削 性 能 和 磨损 机 制 。 用 未 涂 层 和 M o S2涂 层 刀 具 进 行 对 比 切 削试 验 。 结 果 表 明 ， 涂 层 刀 具 寿 命 比 未 涂 层 的 刀 具 大大 提 高 。 用 陶 瓷 刀 具 加 工 时 ， 粘 结 磨 损 是 主 要 的 磨损 原 因 ， 而 M o S2涂 层 有 效 阻 止 了 工 件 和 刀 具 之 间的 粘 结 。今 后 自 润 滑 刀 具 的 材 料 研 究 的 主 要 方 向 包 括 ：新 型 自 润 滑 刀 具 材 料
37、的 研 制 、 自 润 滑 膜 的 形 成 机 理及 在 磨 损 过 程 中 的 变 化 规 律 、 影 响 自 润 滑 膜 形 成 和特 性 的 主 要 因 素 、 自 润 滑 膜 的 组 织 与 性 能 对 自 润 滑刀 具 耐 磨 性 的 影 响 等 。2 刀 具 涂 层 结 构除 了 涂 层 材 料 外 ， 涂 层 的 内 部 结 构 的 变 化 很 大 程度 上 也 影 响 着 涂 层 刀 具 的 应 用 效 果 。 相 同 的 涂 层 成分 、 不 同 的 结 构 形 式 ， 可 以 导 致 涂 层 刀 具 的 切 削 效 果截 然 不 同 。 就 目 前 P V D 技 术 的
38、发 展 状 况 ， 涂 层 薄 膜 结构 大 体 可 以 分 为 ： 单 一 涂 层 、 复 合 涂 层 、 梯 度 涂 层 、 多层 涂 层 、 纳 米 多 层 涂 层 、 纳 米 复 合 结 构 涂 层1 7 。单 一 涂 层 是 由 一 种 化 合 物 或 固 溶 体 薄 膜 构 成 ，理 论 上 讲 在 薄 膜 的 纵 向 生 长 方 向 上 涂 层 成 分 是 恒定 的 。 这 种 结 构 的 涂 层 也 称 之 为 普 通 涂 层 。 追 述P V D 的 发 展 历 程 ， 容 易 发 现 单 一 涂 层 是 过 去 很 长 时间 内 一 直 采 用 的 技 术 ， 包 括 最
39、常 用 的 T i N 、 T i C N 等 。复 合 涂 层 是 由 各 种 不 同 功 能 或 特 性 的 涂 层 薄膜 组 成 的 结 构 ， 也 成 为 复 合 涂 层 结 构 膜 ， 其 典 型 涂层 为 目 前 的 硬 涂 层 + 软 涂 层 ， 每 层 薄 膜 各 具 不 同 的特 征 ， 从 而 使 涂 层 具 有 更 好 的 综 合 性 能 。梯 度 涂 层 是 指 涂 层 成 分 沿 着 薄 膜 生 长 方 向 逐步 变 化 ， 这 种 变 化 可 以 是 化 合 物 各 元 素 比 例 的 变化 ， 如 T i A l C N 中 T i 、 A l 含 量 的 变 化
40、 ， 也 可 以 由 一 种化 合 物 逐 渐 过 渡 到 另 一 种 化 合 物 ， 如 C r N 逐 渐 过 渡到 C B C 碳 基 涂 层 。多 层 涂 层 是 由 多 种 性 能 各 异 的 薄 膜 叠 加 而 成 ，每 层 膜 化 学 组 成 基 本 恒 定 。 目 前 在 实 际 应 用 中 多 有2 种 不 同 膜 组 成 ， 由 于 所 采 用 的 工 艺 存 在 差 异 ， 不 同企 业 的 多 层 涂 层 刀 具 ， 其 各 膜 层 的 尺 寸 也 不 近 相同 ， 通 常 由 十 几 层 薄 膜 组 成 ， 每 层 薄 膜 尺 寸 大 于 几十 纳 米 ， 最 具 代
41、 表 性 的 有 A l N + T i N 、 T i A l N + T i N 涂层 等 。 与 单 层 涂 层 相 比 ， 多 层 涂 层 可 有 效 地 改 善 涂层 组 织 状 况 ， 抑 制 粗 大 晶 粒 组 织 的 生 长 。纳 米 多 层 涂 层 结 构 与 多 层 涂 层 类 似 ， 只 是 各 层薄 膜 的 尺 寸 为 纳 米 数 量 级 ， 又 可 称 为 超 显 微 结 构 。 理论 研 究 证 实 在 纳 米 调 制 周 期 内 ( 几 纳 米 至 几 十 纳 米 ) ，与 传 统 的 单 层 膜 或 普 通 多 层 膜 相 比 ， 此 类 薄 膜 具 有 超硬
42、度 、 超 模 量 效 应 ， 其 显 微 硬 度 预 计 可 以 超 过 4 0G P a ， 并 且 在 相 当 高 的 温 度 下 ， 薄 膜 仍 可 保 留 非 常 高的 硬 度 。 因 此 这 类 膜 具 有 良 好 的 市 场 应 用 前 景 ， 其 典型 代 表 为 A l N + T i N 、 A l N + T i N + C r N 涂 层 等 。纳 米 复 合 结 构 涂 层 。 以 ( n c - T i1 - xA lxN ) / ( - S i3N4)纳 米 复 合 相 结 构 薄 膜 为 例 ， 在 强 等 离 子 体 作 用 下 ，纳 米 T i A l N
43、晶 体 被 镶 嵌 在 非 晶 态 的 S i3N4体 内 ， 当T i A l N 晶 体 尺 寸 小 于 1 0 n m 时 ， 位 错 增 殖 源 难 于 启动 ， 而 非 晶 态 相 又 可 阻 止 晶 体 位 错 的 迁 移 ， 即 使 在较 高 的 应 力 下 ， 位 错 也 不 能 穿 越 非 晶 态 晶 界 。 这 种结 构 薄 膜 的 硬 度 可 以 达 到 5 0 G P a 以 上 ， 并 可 保 持相 当 优 异 的 韧 性 ， 且 当 温 度 达 到 9 0 0 1 1 0 0 时 ，其 显 微 硬 度 仍 可 保 持 在 3 0 G P a 以 上 ； 此 外 这
44、种 薄膜 同 时 可 获 得 优 异 的 表 面 质 量 ， 因 此 工 业 应 用 前 景广 阔 。3 刀 具 涂 层 制 备 工 艺常 用 的 涂 层 工 艺 一 般 为 化 学 气 相 沉 积 法( C h e m i c a l V a p o r D e p o s i t i o n , 简 称 C V D ) 和 物 理 气 相沉 积 法 ( P h y s i c a l V a p o r D e p o s i t i o n , 简 称 P V D ) 。 由 于C V D 沉 积 温 度 ( 一 般 为 9 0 0 1 1 0 0 ) 较 高 ， 涂 层 厚度 较 厚
45、( 通 常 为 1 0 m ) ， 一 定 程 度 上 限 制 了 其 在 刀具 涂 层 上 的 应 用 。 而 P V D 具 有 涂 层 温 度 低 、 结 构 微细 、 表 面 光 滑 、 涂 层 厚 度 薄 、 应 用 范 围 更 广 等 优 点 ，在 刀 具 涂 层 技 术 中 有 更 广 泛 的 发 展 前 景 。 近 年 来 还有 一 些 新 的 涂 层 工 艺 出 现 ， 如 低 温 涂 层 新 工 艺 、 溶胶 - 凝 胶 法 等 ， 同 样 具 有 很 好 的 发 展 前 景 。3 . 1 化 学 气 相 沉 积化 学 气 相 沉 积 基 本 原 理 是 沉 积 物 以 原
46、 子 、 离子 、 分 子 等 原 子 尺 度 的 形 态 在 材 料 表 面 沉 积 ， 形 成外 加 覆 盖 层 ， 如 果 覆 盖 层 通 过 化 学 反 应 形 成 ， 则 称为 化 学 气 相 沉 积 ( C V D ) ， 其 过 程 包 括 三 个 阶 段 ： 物 料汽 化 、 运 输 到 基 体 附 近 和 在 基 体 上 形 成 覆 盖 层 1 8 。目 前 C V D 向 低 温 和 高 真 空 两 个 方 面 发 展 。 使 用乙 酰 氮 和 甲 基 氢 化 物 提 供 N2和 C H4在 7 0 0 8 0 0 下 能 够 沉 积 T i C N 涂 层 ， 这 种 技
47、 术 被 称 为 中 温 C V D雒 有 成 : 刀 具 涂 层 技 术 及 其 发 展 2 5 5 硬 质 合 金 第 2 4 卷硬 质 合 金 第 2 4 卷硬 质 合 金 第 2 4 卷硬 质 合 金 第 2 4 卷( 简 称 M T C V D ) 。 利 用 M T C V D 法 沉 积 T i C N ， 可 得 到较 厚 的 细 晶 纤 维 状 结 构 ， 涂 层 厚 度 通 常 为 C V D 法 涂层 的 1 . 5 倍 ， 且 为 半 粘 接 状 态 ， 可 改 善 刀 具 在 断 续 切削 条 件 下 的 抗 崩 刃 性 ； 传 统 的 氧 化 铝 涂 层 是 -A
48、l2O3和 - A l2O3的 混 合 相 结 构 ， 表 面 不 光 滑 化 学 稳定 性 差 ， 而 M T C V D 沉 积 形 成 单 相 - A l2O3呈 微 晶结 构 ， 热 稳 定 好 ， 表 面 光 滑 ， 抗 扩 散 磨 损 好 。 C V D 方法 具 有 涂 层 与 基 体 结 合 强 度 高 ， 涂 层 在 刀 具 各 面 上沉 积 均 匀 ， 涂 层 工 艺 稳 定 可 靠 等 优 点 。 用 C V D 方 法很 难 获 得 多 组 元 的 涂 层 。 涂 层 一 般 是 根 据 组 元 性 质能 完 成 一 定 功 能 的 单 个 涂 层 构 成 ， 但 涂
49、层 时 ， 温 度较 高 易 削 弱 基 体 材 料 的 强 度 。目 前 ， C V D 技 术 主 要 用 于 硬 质 合 金 车 削 类 刀 具的 表 面 涂 层 ， 涂 层 刀 具 适 用 于 中 型 、 重 型 切 削 的 高速 粗 加 工 及 半 精 加 工 。 采 用 C V D 技 术 还 可 实 现 -A l2O3涂 层 ， 这 是 P V D 技 术 目 前 难 以 实 现 的 ， 因 此 在干 式 切 削 加 工 中 ， C V D 涂 层 技 术 仍 占 有 极 为 重 要 的地 位 。3 . 2 物 理 气 相 沉 积物 理 气 相 沉 积 法 ( P V D ) 是 通 过 气 相 反 应 过 程 ， 使蒸 发 或 溅 射 出 的 金 属 原 子 发 生 气 相 反 应 ， 从 而 在 刀具 表 面 沉 积 出 所 要 求 的 化 合 物 。 P V D 涂 层 技 术 的 特点 是 ： 沉 积 温 度 低 ， 可 以 在 5 0 0 以 下 沉 积 T i N 、T i A l N 等 硬 涂 层 ， 因 此 不 会
