1 引言

對(duì)刀具進(jìn)行涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一北郁，隨著涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了重大突破纺围。涂層刀具可以提高加工效率和加工精度用劲，延長(zhǎng)刀具使用壽命，降低加工成本僧旬。

自20世紀(jì)70年代以來炉奴，刀具涂層技術(shù)取得了飛速發(fā)展，涂層工藝越來越成熟蛇更。西方工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家使用的涂層刀片占可轉(zhuǎn)位刀片的比例已由1978年的26%增加到1985年的50～60%瞻赶。新型數(shù)控機(jī)床所用切削刀具中有80%左右使用涂層刀具。瑞典山特維克公司和美國(guó)肯納金屬公司的涂層刀片的比例已達(dá)80～85%以上派任。美國(guó)數(shù)控機(jī)床上使用涂層硬質(zhì)合金刀片比例為80%砸逊，瑞典和德國(guó)車削用涂層刀片已占70%以上。1981年～1985年期間掌逛，前蘇聯(lián)的刀具產(chǎn)量增加了16%师逸、硬質(zhì)合金刀具增加了29%，而涂層刀具則增加了5倍豆混。涂層刀具己成為現(xiàn)代刀具的重要標(biāo)志篓像，并將是今后數(shù)控加工領(lǐng)域中最重要的刀具品種之一。

TiAlN涂層作為一種新型涂層材料皿伺，具有硬度高员辩、氧化溫度高、熱硬性好心傀、附著力強(qiáng)止既、摩擦系數(shù)小、導(dǎo)熱率低等優(yōu)良特性垂暖，尤其適用于高速切削高合金鋼核瘤、不銹鋼、欽合金穗阐、鎳合金等材料涉泡。在要求高耐磨性的場(chǎng)合下，鑒于TiN涂層在高溫性能方面所表現(xiàn)出的不足能莫，TiAlN有望部分或完全替代TiN政茄，因此，TiAlN涂層刀具具有極其廣闊的應(yīng)用前景妇愉。

自1985年Knotek等首次發(fā)表了關(guān)于TiAlN涂層的研究成果后彭闷，人們便對(duì)其優(yōu)異的抗高溫氧化能力和良好的使用性能表示了極大的關(guān)注愈樱，已經(jīng)用多種PVD方法成功制備了TiAlN膜。由于TiAlN涂層的制備方法不盡相同烛蘑，已見報(bào)道的TiAlN涂層的性能也有差異初之。表1是幾種常用涂層的主要性能比較(數(shù)據(jù)來源于Balzers涂層有限公司)。由表可以看出唱较，TiAlN涂層具有高的硬度和氧化溫度扎唾，隨著涂層的多層化和納米化，TiAlN涂層的性能正在逐漸提高南缓。TiAlN的化學(xué)穩(wěn)定性好胸遇，抗氧化磨損能力強(qiáng)，其硬度為3400～3600HV)汉形，耐磨性僅低于類金剛石膜纸镊，是目前國(guó)際工具行業(yè)最為推崇的超硬涂層。當(dāng)Al含量超過50%時(shí)概疆，為了區(qū)別于TiAlN薄腻，有人稱其為AlTiN。AlTiN涂層的硬度隨含鋁量的增加而提高届案，鋁含量可以超過65%；當(dāng)鋁含量提高后也會(huì)形成較軟的AlN相罢艾，使其硬度降低楣颠，但是鋁含量并不是影響硬度的唯一因素。AlTiN的硬度可達(dá)4500HV咐蚯。目前TiAlN/Al2O3多層PVD涂層也已研究成功拯拓，這種刀具的涂層硬度可達(dá)4000HV，涂層數(shù)為400層(厚度5nm)须涣，切削性能優(yōu)于TiC/l2O3/TiN涂層刀具涌咪。

表1 幾種涂層的主要性能比較

2 TiAlN涂層工藝

涂層刀具的切削性能除與涂層材料有關(guān)外，在很大程度上還取決于涂層工藝的技術(shù)水平盐腻，涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度降乔、涂層及其界面組織結(jié)構(gòu)、擇優(yōu)取向揽券、各單涂層厚度及總厚度等都是決定涂層刀具性能的重要因素讨楔。下面就從基體與涂層材料的選擇和涂層工藝參數(shù)兩方面進(jìn)行闡述。

1) 基體與涂層材料的選擇

對(duì)于涂層刀具材料而言豆牺，涂層與基體及不同涂層之間的物理匹配程度影響界面應(yīng)力載荷傳遞及材料性能玻市，其中尤以各層之間的熱膨脹系數(shù)的匹配程度和彈性模量的差別對(duì)材料性能的影響最大。由于熱脹失配程度和彈性模量的不同翎桨，在材料內(nèi)部將形成大小及分布不同的殘余應(yīng)力場(chǎng)父独。從降低殘余拉應(yīng)力格缘、提高材料強(qiáng)度的角度上講，應(yīng)使基體與涂層的熱膨脹系數(shù)更接近酬屉，彈性模量差較邪氲取；但從殘余應(yīng)力增韌和微裂紋增韌梆惯、提高材料斷裂韌性的角度來看酱鸭，存在適當(dāng)?shù)臍堄鄳?yīng)力又是必要的。TiAlN涂層刀具基體一般選用高速鋼或硬質(zhì)合金垛吗，比如YG6凹髓、YG8、超細(xì)晶粒WC-Co硬質(zhì)合金等怯屉，也可選陶瓷作基體蔚舀。

界面結(jié)合強(qiáng)度是影響涂層刀具性能的重要因素。除了選擇匹配的材料外锨络，在工藝中也可采取多種方法來改善TiAlN膜層與高速鋼和硬質(zhì)合金等基體的結(jié)合強(qiáng)度赌躺。如：成膜前進(jìn)行預(yù)濺射清洗以除去不利于涂層與基體結(jié)合的雜質(zhì)；成膜過程中用高能粒子轟擊以提高膜基間組分相互擴(kuò)散能力和膜表面原子的反應(yīng)活性羡儿，降低缺陷的產(chǎn)生礼患；引人如TiAl、Ti等中間過渡層姥购，由于過渡層與基體和過渡層與TiAlN膜層兩者的結(jié)合強(qiáng)度顯著高于TiAlN膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度渺因，因而有了過渡層的TiAlN膜層的臨界載荷明顯增加，過渡層的厚度可明顯影響膜層與基體的結(jié)合強(qiáng)度概给。當(dāng)過渡層進(jìn)一步增厚時(shí)妙裸，過渡層被剪斷的幾率增大，導(dǎo)致臨界載荷緩慢下降跛庶。界面結(jié)合強(qiáng)度可通過自動(dòng)劃痕儀測(cè)量臨界載荷來確定睁去。

2) 涂層工藝參數(shù)

一般來說，采用PVD工藝可獲得比CVD工藝更薄的涂層质凰，且與基體結(jié)合較為牢固殃宜，同時(shí)，PVD涂層的沉積溫度較低羡财，在600℃0以下時(shí)對(duì)刀具材料的抗彎強(qiáng)度無影響监镰。可采用多種PVD方法來制備TiAlN涂層刀具伐怀，比如多弧離子鍍俐芬、電弧離子鍍、空心陰極離子鍍细溅、磁控濺射離子鍍等褥傍。選擇不同的涂層方法所得到涂層刀具的性能有一定差異儡嘶。目前，表征TiAlN涂層成分的主要參數(shù)有：rAl/Ti和rM/N恍风，用這兩個(gè)參數(shù)可以全面反映Ti蹦狂、Al和N三者原子在涂層中所含的比例。影響TiAlN涂層性能的主要因素有界面結(jié)合強(qiáng)度朋贬、涂層中Al的含量以及涂層的成分和結(jié)構(gòu)凯楔。

·多弧離子鍍

用多弧離子鍍方法制備的TiAlN涂層刀具的涂層性能與靶材金屬成分和工藝參數(shù)有關(guān)。一般說來锦募，用TiAl復(fù)合靶制備的涂層的均勻性優(yōu)于用分離Ti摆屯、Al靶制備的涂層。提高鋁含量能較大程度地提高膜基結(jié)合力糠亩。但是虐骑，對(duì)于高Al含量的TiAl復(fù)合靶材，目前在制備工藝上還存在一定的困難赎线。TiAlN涂層的組成受從分壓疆虑、陰極弧流及基板偏壓等工藝因素的制約：隨著N2分壓的增加，rAl/Ti升高徽橄，rM/N減谐卧隆；隨著陰極弧流的增大遂遂，涂層中rAl/Ti減小例氓，rM/N增大；隨著基體偏壓的升高融卿，rAl/Ti和rM/N降低(見圖1)。

圖1 基本偏壓對(duì)TiAlN涂層成分的影響

·空心陰極離子鍍

采用空心陰極離子鍍方法沉積TiAlN膜層慎接。鍍膜的主要工藝參數(shù)有：主弧電流油蒙、烘烤溫度、鍍膜時(shí)間药妄、氫流量和鍍膜時(shí)的真空度保地。N2的流量影響刀具的硬度和界面結(jié)合力。如圖2所示刀昼，隨N2流量的增加嗓奢，膜基結(jié)合力和膜層的顯微硬度呈上升趨勢(shì)，達(dá)到最大值后開始下降浑厚，因此存在一個(gè)最佳值股耽，以使膜基結(jié)合力和膜層的顯微硬度最優(yōu)。采用空心陰極離子鍍方法制備出的TiAlN膜層連續(xù)钳幅、光滑物蝙、組織致密炎滞，膜基結(jié)合力比TiN膜層與基體之間的結(jié)合力有較大程度的提高，但相對(duì)于其它工藝還存在一定差異诬乞。

圖2 膜層顯微硬度及界面結(jié)合力隨N2流量的變化

·能量脈沖等離子槍

中國(guó)科學(xué)院物理所自主開發(fā)的高能量脈沖等離升槍能同時(shí)兼顧離子注入册赛、物理氣相沉積和等離子體氮化等多種以真空為基礎(chǔ)的表面處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以改進(jìn)陶瓷涂層切削刀具的磨損性能震嫉。影響薄膜沉積的工藝因素很多森瘪，包括脈沖等離子體槍內(nèi)外電極間放電電壓(槍壓Vgun)、脈沖等離子轟擊試樣次數(shù)票堵、脈沖電磁進(jìn)氣閥電壓扼睬、沉積室真空度、工作氣體反應(yīng)氣壓换衬、等離子體槍和試樣間的距離以及樣品溫度等芬莫，其中脈沖次數(shù)和槍壓是最重要的兩個(gè)參數(shù)。清華大學(xué)材料系用高能量密度脈沖等離子槍于室溫下在硬質(zhì)合金刀具基體上沉積了硬度高歪眨、耐磨損众被、膜基結(jié)合力強(qiáng)的TiAlN 薄膜，膜層的力學(xué)性能參數(shù)見表2蛉增。

表2 高能量密度脈沖等離子槍制備涂層的力學(xué)性能參數(shù)

·磁控濺射離子鍍

磁控濺射離子鍍通過離子源對(duì)膜層進(jìn)行離子轟擊唤抚，是一種高溫沉積工藝，工件一般要加熱到300℃～5 00℃ 践寄。此工藝克服了磁控濺射沉積速率低说庶、離化率低和強(qiáng)烈基體熱效應(yīng)等缺陷，能顯著提高膜基結(jié)合強(qiáng)度檩渐。非平衡磁控濺射離子鍍用非平衡電源使約束在靶面附近的等離子體擴(kuò)散到工件附近秆牍，提高系統(tǒng)的性能。非平衡磁控濺射以其優(yōu)異的性能在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用剃拇。

影響涂層性能的工藝參數(shù)有氣體分壓支读、偏壓和沉積室的真空度、溫度等害淤。氣體分壓是指工作氣體和反應(yīng)氣體的比值扇雕。在制備TiAlN涂層時(shí)工作氣體為Ar，降低Ar的分壓有利于提高鍍膜速率窥摄、膜基結(jié)合強(qiáng)度和膜層致密度镶奉。隨著Ar分壓的降低，工作氣體從分壓增大崭放。N2不但與沉積在工件上的膜層原子反應(yīng)形成化合物膜哨苛，同時(shí)還會(huì)與靶材反應(yīng)在靶面上形成化合物，產(chǎn)生靶中毒現(xiàn)象币砂，因此確定二個(gè)最優(yōu)的N2分壓值是很重要的移国。中頻交流磁控濺射消除了“陽(yáng)極消失”效應(yīng)和“陰極中毒”問題吱瘩，大大提高了磁控濺射運(yùn)行的穩(wěn)定性。

3 TiAlN涂層刀具的應(yīng)用

TiAlN涂層具有優(yōu)于TiC迹缀、TiN使碾、TiCN等涂層的機(jī)械物理性能，并可與其它涂層配合組成多元多層復(fù)合涂層祝懂。在TiAlN涂層中有較高的Al濃度票摇，切削加工時(shí)涂層表面會(huì)生成一層極薄的非晶態(tài)Al2O3，從而形成硬質(zhì)惰性保護(hù)膜窜旺，非常適合應(yīng)用于高速切削加工共悼。干式或半干式切削是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。為實(shí)現(xiàn)干式切削杏紫，刀具涂層必須具有兩個(gè)重要功能：可在刀具與工件之間起到熱壁壘的作用钙瘫，以減小作用于刀具基體的熱應(yīng)力；可起到固體潤(rùn)滑劑的作用申蔗，以減小切削摩擦及切屑對(duì)刀具的粘附侯砸。TiAlN涂層就是一種可較好滿足上述要求的高性能涂層。

1）銑削AlSiH13/JIS SKD61淬硬模具鋼(52HRC)

TiAlN涂層銑刀是目前高速銑削淬硬模具鋼最常用的理想刀具些玖。由VC-MD型六齒TiAlN銑刀高速銑削AlSiH13/JIS SKD61淬硬模具鋼(52HRC)的數(shù)據(jù)比較如表3 所示俗衍。

表3 不同速度不同冷卻方式下TiAlN銑刀銑削長(zhǎng)度比較

分別用VC-MD型號(hào)TiAlN涂層銑刀、TiN涂層銑刀和未涂層銑刀高速銑削AlSiH13/JIS SKD61模具鋼(52HRC)步垢，加工長(zhǎng)度達(dá)50m后刀具周邊后刀面的磨損情況如圖3所示(進(jìn)給速度：0.10mm/齒簸隅；軸向切深10mm，徑向切深0.5mm易解；順銑撰钥；風(fēng)冷)。

圖3 TiAlN涂層銑刀與其他刀具磨損比較

由圖3可以看出：TiN涂層銑刀和未涂層銑刀在V=200m/min時(shí)磨損量已較大腥椒，V繼續(xù)增大時(shí)則出現(xiàn)劇烈磨損城舞。TiAlN涂層銑刀的磨損曲線斜率較小，走勢(shì)較平坦寞酿；其它兩種刀具的磨損曲線斜率則較大。表明隨著切削速度的增加脱柱，TiAlN涂層的磨損量變化很小伐弹，非常適合高速切削。TiAlN涂層刀具高速銑削模具鋼時(shí)榨为，主要磨損形式為微剝落惨好，伴隨著少量劃傷。TiAlN較高的耐磨性主要是由于其較低的摩擦系數(shù)以及與凡極低的化學(xué)親和力随闺。磨痕表面略有Al日川、O富集蔓腐，未發(fā)現(xiàn)其磨痕表面有Fe粘附，因?yàn)槠渑c鋼的粘附傾向很小龄句。

2) 銑削鈦合金Ti-6Al-4V

TiAlN研涂層銑刀低速銑削欽合金Ti-6Al-4V時(shí)回论，刀具磨損量很小，磨損曲線較平坦畦洞。隨著切削速度不斷增大晴消，刀具磨損量緩慢增加。但當(dāng)切削速度超過1000m/min后铡捉，刀具磨損量快速增加(見圖4)战决。切削熱和機(jī)械振動(dòng)是刀具失效的重要影響因素。斷續(xù)切削鈦合金材料產(chǎn)生的高溫會(huì)使刀片的切削刃與其它部分之間產(chǎn)生較大溫差劲徙，導(dǎo)致切削刃產(chǎn)生裂紋窘燎，裂紋的擴(kuò)展將導(dǎo)致切削刃破裂及刀片破損。

圖4 銑削速度與后刀面磨損關(guān)系曲線

3) 銑削合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo4V

涂層厚度(一般為2～18μm)對(duì)于刀具性能具有重要影響秘挥。涂層的厚度及層數(shù)主要取決于工況條件昂待，不一定是層數(shù)越多性能愈優(yōu)。膜層的厚度過大會(huì)因處于高的應(yīng)力狀態(tài)而變脆兆焦，導(dǎo)致使用壽命減少糊怖。對(duì)于沖擊力較大、刀具快速冷卻和加熱的間斷切削生碗，薄涂層承受溫度變化的性能優(yōu)于厚涂層捻艳，其應(yīng)力較小，不易產(chǎn)生裂紋庆猫，因此薄涂層刀片干式切削時(shí)的壽命可延長(zhǎng)认轨。

對(duì)PVD(Ti46Al54)N涂層硬質(zhì)合金銑刀(涂層厚度3～10μm，硬度1400～2400HV0.0015)銑削合金結(jié)構(gòu)鋼42CrMo4V的研究結(jié)果表明上：機(jī)械性能和硬度對(duì)切削性能有影響月培，尤其是對(duì)于薄涂層嘁字。然而，對(duì)厚度為8～10μm的涂層杉畜，強(qiáng)度和硬度對(duì)切削性能的影響不是很大(見圖5)纪蜒。

圖5 不同厚度和硬度的銑刀性能

當(dāng)具有一定的界面結(jié)合強(qiáng)度時(shí)，刀具的涂層厚度對(duì)后刃面磨損有較大影響此叠，增加涂層厚度有利于提高抗磨損能力纯续，磨損主要取決于涂層本身的厚度。TiAlN 硬質(zhì)合金銑刀以V=200m/min銑削42CrMo4V時(shí)灭袁，涂層厚度與后刀面磨損的關(guān)系如圖6所示猬错。由圖可知，當(dāng)涂層厚度為3～6μm時(shí)，厚度的變化對(duì)后刀面磨損的影響不明顯倦炒，而厚度為8～10μm的涂層浴祥，其抗后刀面磨損能力顯著增強(qiáng)。

圖6 不同涂層厚度銑刀銑削時(shí)后刀面磨損情況

目前TiAlN涂層刀具的理想工作速度為183～244 m/min毁兼，主軸轉(zhuǎn)速為20,000～40,000r/min或者更高预蒜，并且切削深度較淺。在這種工作條件下姿抒，生產(chǎn)效率較高奇门，主軸所受壓力較小，表面光潔茂蓬，切屑較細(xì)有利于帶走較多的切削熱栖啰。高速切削鎳基合金時(shí)，切削刃處的溫度可能高達(dá)800℃ 吴钧，采用TiAlN干式切削對(duì)鎳基合金特別有利劫漠。

涂層刀具在使用過程中的磨損形式主要表現(xiàn)為中速時(shí)的磨粒磨損和粘著磨損、高速時(shí)的擴(kuò)散磨損和粘著磨損宙娃，最后失效形式多為刀刃微區(qū)剝離拄弯，其機(jī)理是涂層中、涂層間和基體內(nèi)部的裂紋產(chǎn)生和擴(kuò)展幻林。涂層與基體以及層與層之間存在明顯的界面贞盯，是薄膜內(nèi)應(yīng)力的起源，導(dǎo)致涂層的剝落與破損沪饺。

4 結(jié)語(yǔ)

TiAlN涂層刀具以其優(yōu)異的切削性能展現(xiàn)出在高速切削時(shí)廣闊的應(yīng)用前景躏敢。TiAlN涂層刀具的普及應(yīng)用將大大提高刀具耐用度，減少加工輔助時(shí)間整葡，降低切削加工成本件余，提高企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。由于單一涂層材料難以滿足提高刀具綜合機(jī)械性能的要求遭居，因此啼器，在開發(fā)高性能、高可靠性涂層設(shè)備的同時(shí)俱萍，要優(yōu)化涂層工藝和完善基體的成分與金相組織端壳，改進(jìn)涂層與基體、涂層與涂層之間的粘結(jié)力和基體的抗塑性變形能力枪蘑。目前的研究方向?yàn)椋禾岣咪X的含量损谦；改進(jìn)涂層的成分，在TiAlN涂層中添加C(或Si)作為粘結(jié)劑強(qiáng)化涂層的顯微結(jié)構(gòu)齿矗，以改善其性能；改進(jìn)涂層的結(jié)構(gòu)，多層爷凫、梯度和納米化也是TiAlN涂層的發(fā)展趨勢(shì)疗涎。