刀具纳米涂层的类型及其性质研究

陶传琦

摘 要：硬质合金涂层是指通过物理气相沉积（PVD）等方法，在硬质合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiCN或TaC、HfN、Al2O3等薄层，形成表面涂层硬质合金。硬质涂层气相沉积是机械加工行业中刀具表面增硬最为重要的技术手段，而相关新技术作为最早应用到刀具表面的涂层，现今已经朝多元、多层、纳米结构的方向发展。未来纳米涂层应用前景将会非常广泛，本文正是在这种背景下，进行了涂层针对直柄刀具涂层的涂镀要求的相关问题研究与分析。

关键词：硬质涂层 刀具表面增硬 刀具涂层

中图分类号：TB43 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）10（a）-0111-03

人类进入20世纪以来，科学技术水平的飞速发展和工业技术水平的不断革新，使制造业取得了巨大的进步，同时也造就了人类社会财富的空前膨胀。可以这样说，制造业的进步，是人类社会和物质文明进步的发动机。有资料显示，美国的巨大财富来源有68%要归功于制造业，同样，我国现代化的发展进程在很大程度上取决于现代制造业和机械工业的发展水平，因此，机械制造业的发展是关乎我国现代化建设全局的。

刀具硬质涂层的发展主要经历了从单一涂层到多元涂层再到多层涂层（或梯度涂层），而今天研究者们普遍研究的热点集中在纳米涂层上，纳米涂层又可分为纳米复合涂层和纳米多层涂层两类，按照前面对超硬涂层的分法，这两种纳米涂层均为非内禀性硬质涂层。

1 氮化钛基单一涂层

单一涂层的种类很多，大都发展成熟且得到了广泛的应用。根据化学键的性质来分，可以将单一涂层分为：（1）共价键类：例如DLC等，其优点是具有较高的硬度。（2）金属键类：例如TiN、CrN、TiC等，这类涂层具有较好的综合性能。（3）离子键类：例如Al2O3等，其优点是化学性质稳定。DLC涂层是一种由sp3和sp2键杂化而成的非晶碳涂层，在结构上长程无序而短程有序，里面几乎不含sp1键。这种特殊的结构导致了DLC涂层拥有低摩擦磨损、高硬度、化学惰性好、光透性强和良好的生物相容性等优良特性，然而通过现有途径制备的DLC涂层往往具有较高的内应力水平，从而导致涂层和基体材料的附着力低下，尤其是在极端条件下，如航空航天的真空、高温等。

TiN和TiC也是较早出现的刀具涂层材料。理想化学剂量比的TiN属于立方晶系，金黄色，具有金属光泽，TiN涂层由于其优良的摩擦学特性和化学稳定性而被广泛应用于机械加工刀具、微电子器件扩散膜、航空航天防护部件等，又因其具有金属光泽且颜色是大众喜好的金黄色，所以也应用于装饰镀涂层，如表带和义齿等；TiC涂层为浅灰色，也具有金属光泽，立方晶系，其具有高硬度和杨氏模量、低磨损、抗化学腐蚀、高热导率和高电子迁移率等优良特性，在机械、电子、航空航天等方面都有广泛的应用，此外，在高碳含量下涂层趋向于黑色，因此也常常用于各种装饰涂层，如手表的外壳、表带以及一些工艺品等。CrN涂层出现得比较晚，相对于TiN涂层来说，韧性较强，尤其是与铁基材料结合固溶可以获得优良的附着力，而且可以获得超厚涂层，相比于大多数二元涂层，CrN的抗磨损性和耐氧化腐蚀性能都有上佳的表现，在氮含量不足的情况下CrN涂层系统会有CrN和Cr2N形成，分别为面心立方晶体和六方晶体结构，两相的力学性能都很好，因此该涂层在注塑模具、机械零部件和装饰防腐等领域都有广泛的应用。

2 氮化钛基多元涂层

随着现代材料加工切削技术的不断革新，在干式切削和高速切削等加工技术上传统的单一涂层刀具已经难以满足需求。例如，TiN涂层的抗氧化性温度最高只能到600℃，显然难以满足一些加工工艺的需求，因此必须提高单一涂层的性能。在单一涂层中添加某些元素形成多元涂层，可以大大提高单一涂层的综合性能，例如在TiN涂层中掺入Al元素，用原子半径较小的Al原子替代Ti原子形成TiAlN涂层，使TiNB1-NaCl结构晶格常数从0.423nm减小至0.417nm，从而提高涂层硬度，此外高温下Al元素形成致密的Al2O3还显著提高了涂层的抗氧化性，该涂层在800℃条件下依然保持良好的机械性能；而掺入C元素形成的多元涂层具有良好的润滑性；加入Si元素则可以减少涂层能元素扩散和增强机械性能。Ti1-XAXN涂层根据涂层中铝（Al）含量的不同可以分為高铝、中铝和低铝3类：其中X>0.5为高铝氮化铝钛，X<0.5为低铝氮化铝钛，X=0.5中铝氮化铝钛，随着铝含量的增加，涂层颜色从金黄色过渡到古铜色最后变为蓝黑色。亚稳相的Ti1-XAXN涂层在退火过程中有纳米尺度的自组织，例如在切削摩擦高温状态下涂层发生自适应效应从而使其硬度增加，这种特性使得涂层在干切削和高速切削中有良好的表现，尤其是高铝涂层。TiCN涂层取高硬度低摩擦系数的TiC和高韧性的TiN之所长，在需耐磨损摩擦的地方有良好的应用；在CrN涂层中添入C元素形成CrCN有很好的化学稳定性，因而在有色金属加工中有效地缓解了焊接效应。

3 多层涂层

随着切削技术和刀具涂层技术的发展，单层多元涂层也难以满足生产中的各种要求。而多层复合涂层可以根据不同的加工材料和工作条件，发挥几种材料各自的优点，大大提高了刀具涂层的耐用度。

图1中涂层浅色层为Cr层，深色层为CrN，多层涂层采用微米级的有限层涂层组合，根据需要设计多层种类和周期，其中组成层都有着不同的摩擦学特征，这类结构会在两层之间大量的中间接口消散硬质涂层能量，打断柱状晶体生长，获得更为致密的结构，采用元素成分或材料应力梯度变化在获得优良性能的同时还能有效缓解涂层沉积过程中由于材料间热膨胀系数不同带来的热残余应力和缺陷，因此这种组合结构涂层获得了比其中任何单一涂层都优越的机械性能和高温性能。此外多层涂层还常常设计有冶金层或结合层来提高涂层的膜-基结合力，为了增强涂层的表面性能还会引入顶层处理。

4 刀具的纳米涂层endprint

纳米技术是21世纪科学和技术发展的主要驱动力之一，制备晶粒尺寸在100nm以下的纳米材料是当今材料科学技术的研究热点，通过在原子、分子或超分子尺度（一般为1～50nm）控制材料的合成、加工或应用，从而使新材料、新器件、新系统获得特异属性和特殊功能。当材料晶粒尺寸小于50nm，尤其是在10nm左右会有很明显的材料空间效应，带来材料热学性能、动力学性能、电磁性能和机械性能的改变，例如在机械性能上会使材料的弹性模量减小，屈服点、显微硬度、断裂韧性和耐磨性等增强。因此，纳米材料技术的兴起和发展，也导致了纳米结构刀具涂层的开发和研究，纳米涂层根据致硬机理的不同可以分为纳米复合涂层和纳米多层涂层两类，按照前面对超硬涂层的分类，均属于非内禀性硬质涂层。

纳米多层结构涂层一般是由两种厚度在纳米量级尺度的不同种材料交替排列而成的涂层体系，在厚度方向上涂层存在纳米量级周期性，具有双层厚度（10nm左右）的基本固定的超点阵周期，也叫超晶格或者超点阵涂层，每一个不同材料或者结构的双层称为一个调制周期（modulatedperiod）。涂层的纳米多层结构在力学性能上有超硬和超模量效应，其硬度和弹性模量比其中任何单一组分涂层的都高出许多，例如TiN涂层的硬度为23.5GPa，NbN涂层的硬度为31.0GPa，而TiN/NbN纳米多层涂层硬度可以接近40GPa，而且涂层的抗裂纹扩展能力和韧性也明显提高。对于纳米多层涂层，结构接口对涂层的制备方法和生长过程非常敏感，并显著地影响涂层的物理和力学性能。

5 结语

在机械制造的切削加工中，可以通过增加刀具工作时间、提高使用效率和产品的合格率来达到高效节能、绿色环保的目的。运用材料表面改性技术，在刀具表面涂覆薄层硬质的金属或非金属化合物，即硬质涂层，发挥它超硬、强韧、耐磨损等特点，可以满足现代化金属切削加工中刀具高可靠性、长寿命、高精度和良好切削可控性的要求。硬质涂层的这些特性使它们适应了现代材料加工和切削技术对金属切削刀具严酷的技术要求，如高速切削、干切削和微润滑切削等新型切削工艺。刀具涂层表面硬度高、耐磨性好、耐高温氧化、化学性能稳定，由于涂层在刀具和切削材料间起到了热障和化学屏障的作用，使刀具有效地减少了切削磨损并且使刀具切削速度增加两到七成，精度提高1.0级，有效工作时间较裸刀可增加三倍以上，使刀具使用成本大幅度降低。

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