TiAlN新型涂层对滚齿刀刚性和耐磨性的影响研究

廖晓文，赖香功

（赣州核力机械股份有限公司，江西 赣州 341000）

制造业是经济发展的新动力，同时还为科学技术的进步提供优良装备。其中，切削技术以及刀具行业分别是制造业中的基础工艺和基础工艺装备。而随着对工件的精度以及切削速度等要求的提高，普通刀具已不能满足。因此新型涂层刀具的发展被行业重视，其中TiAIN型涂层因具有高硬度、低摩擦、耐腐蚀等特性被广泛应用[1]。涂层刀具现已成为现代切削刀具的代表，更是今后数控加工领域中重要的刀具类型。本文主要研究TiAIN新型涂层对滚齿刀刚性以及耐磨性的影响。

1 TiAlN新型涂层

在切削加工技术中，常见刀具涂层均以TiN为主，自第一代涂层硬质合金刀片问世以来，涂层技术的研发对刀具未来的发展方向有深远影响，其中TiN涂层高速钢刀被誉为高速钢刀性能的历史性变革，而TiAlN新型涂层是在TiN的基础上开发出来的[3]。两者相比，TiAlN涂层比TiN具有更好的硬度、耐磨性、耐高温氧化以及与基体之间结合力的优势。

所谓涂层，就是在硬质合金或者高速钢基体的刀具表面上通过物理气相沉积（PVD）为其覆盖上一层具有高硬度其耐磨的难融性金属或者非金属化合物。涂层技术是一项优质表面改性技术。

TiAlN涂层尤为适合高速切削高合金、不锈钢、钛合金、镍合金等金属，表现出独特的优异性。TiAlN硬度为3200HV到3800HV，原理是原理是Al离子和O离子具有良好的化学亲和性，铝氧化形成Al2O3，刀具表面形成一层惰性保护膜，具有抗氧化和抗磨损的作用，极其适应高温作业。通过PVD方法制备了TiAlN膜，多弧离子镀通过加热蒸发提取，磁控溅射通过轰击靶材实现，两者在实际应用中最为广泛。

2 TiAlN新型涂层对滚齿刀刚性的影响

传统不加处理的滚齿刀具，常常需要花费大量时间切削，由于耐磨性差，经常要更换刀具，与此同时也增加了企业成本，已无法满足现如今工业的刚性需求，因此新型涂层的优化使用尤为重要。

切削过程中最明显的特点是温度高，当滚齿刀表面镀上TiAlN涂层后，随着温度升高TiAlN涂层的晶体表面具有择优生长的优势，当氮流量发生变化的时候，这种择优生长的趋势更加明显[1]。TiAlN属于面立方结构，晶粒表面密布排列，而且具备最低表面能，其中原子按照最密的方式排列，温度越高，组织越紧密，由此使氮铝化钛涂层产生高硬度优势。

当温度非常高时，TiN中的AlN也只是固溶其中的一小部分，由于等离子体的活化和高能量离子轰击的作用，通过物理相沉积方法制备的涂层使得TiN中的AlN的固溶度明显增加，多于能够在相对温度较低的情况下制备含量较高的Al涂层。

当Al原子与Ti原子发生置换时，其晶体结构发生变化，进而导致晶体表面间距大大减小，使得晶体结构致密，而且因为Al含量增加涂层结构亚辉产生变化，向着高硬度方向改变。另一方面，如通过磁控溅射技术向刀具基体镀涂层，其属于沉积化合物薄膜，可用化合物材料制作而成的靶材溅射沉积，也可以在溅射纯金属或者合金靶材的同时通入一定量的活性气体，在溅射过程中参加反应，沉积出化合物薄膜，从而获得纯度高的涂层，进而增强了滚齿刀刚性。可见，该涂层对滚齿刀的刚性是有很大的作用的[2]。

3 TiAlN新型涂层对滚齿刀耐磨性的影响

传统刀具工作时，因其基体与切削物之间直接接触，两者之间摩擦性大以及升温后的原因，刀具耐磨性严重不足，刀具使用寿命严重下降。

涂层材料的发明，就是为了提高刀具性能，而对于涂层的要求则是具有较高的耐磨性、高温抗氧化性以及与刀具的基体有着较好的结合力，但是涂具刀层的良好性能基础是结合强度[2]。

研究中发现，涂层的剥落会在表面产生凹槽，而剥落后不能排解到外面的涂层残渣则引发摩擦系数变大。对于此人们改善了涂层的结合能力，例如涂层前先镀一层金属、合金等作为过渡层，或者制备成分梯度缓解等方法，而滚齿刀的耐磨性随着涂层的厚度增加而增强，但是涂层厚度并不能无限增加，因为基于涂层与基体结合能力差的原因。滚齿刀具切割时会产生高温，而TiAlN涂层性能极为适合，从不同温度的涂层表面可以看出。当温度较低时，可以发现薄膜的表面有很多孔洞状等缺陷，同时结构松散，晶粒的生长呈现一种无规则状态。

当温度有所提升时，晶粒的结构逐渐发生变化，转变为柱状的结构，而且膜层表面的大熔滴数以及孔洞数量减少并且晶粒尺寸变小[4]。再度升温，整个膜层变得相对平整，柱状晶粒占据薄膜表面大部分空间，而且相邻的晶粒之间距离紧凑，使得结构变得紧密坚硬，并且分布均匀。沉积温度低时，因为离化的金属离子和基体表面粒子两者之间并不能完全反应，同时晶粒因为没有能量也不能生长，所以其耐磨性大打折扣。但是当温度明显升高时晶粒有了充足能量生长，能按照有序的规则生长并附着在表面形成了良好的耐磨性。另外，在膜层制备过程中如果滚齿刀具温度低，则呈现拱形，当温度升高时表面趋于平整，这样的情况下表面粗糙程度也会降低。而且AiTlN涂层能有效的减小切削过程中的摩擦力，降低摩擦系数。

4 结语

因为TiAlN涂层的高温下良好性能，该型号涂层在金属切削刀具中极受欢迎。同时，根据在不同温度下对其内部反应进行研究发现它对于滚齿刀的刚性以及耐磨性都有着极大的提升。同时还总结出，其在反应中具有良好的择优取向、工作中的高温及其适合其反应原理等优点。TiAlN涂层的发现是具有推动性的，有益于制造业和科学两大事业的进步。

本文的研究只是一小部分，因为TiAlN涂层还是存在许多不足的，例如，随着制造业的发展渐渐不能满足其需求、基膜的结合程度、不能与所有刀具基体最大化融合、切削不同金属时的具体反应不同、随着刀具的磨损其耐磨性的减弱比例、工作时切削参数的变化、不同环境下的适用程度等等一系列问题是会不断涌现出来的，这些问题都等待着用实际性的研究以及实验对比去得出结论，所以说对于TiAlN涂层的研究以及对于整个涂层技术的提升还是有着很多问题在等待着被解决，而刀具涂层的作用也会越来越明显，越来越值得被人们关注。