中国刀具涂层材料之多元涂层研究

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　　单涂层刀具由于基材与涂层两者的硬度，弹性模量及热膨胀系数相差较远，晶格类型也不尽相同，导致残余应力增加，结合力较弱。在单涂层中加入新的元素(如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨损性，加入Si提高硬度和抗化学扩散)制备出多元的刀具涂层材料，大大提高了刀具的综合性能。

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　　最常用的多元刀具涂层是TiCN、TiAlN涂层。TiCN涂层兼有TiC和TiN涂层的良好韧性和硬度，它在涂覆过程中可通过连续改变C和N的成份来控制TiCN的性质，并可形成不同成份的梯度结构，降低涂层的内应力，提高韧性，增加涂层厚度，阻止裂纹扩展，减少崩刃。

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　　TiCN涂层技术不断地在发展，九十年代中期，中温化学气相沉积(MT-CVD)新技术的出现，使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术是以有机物乙腈(CH3CN)作为主要反应气体，在700℃以下生成TiCN涂层。这种TiCN涂层方法有效控制了很脆的η相(Co3W3C)生成，提高了涂层的耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明：在PVD沉积TiCN涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层的硬度及耐磨性。近年来，以TiCN为基的四元成分新涂层材料(如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等)也纷纷出现。

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　　TiAlN涂层材料是目前应用最广泛的高速硬质合金刀具涂层之一，TiAlN有很高的高温硬度和优良的抗氧化能力，涂层组成由原来的Ti0.75Al0.25N转化为优先使用的Ti0.5Al0.5N。Ti0.5Al0.5N涂层抗氧化温度为800℃，在高速加工中表面会产生一层非晶态Al2O3薄膜，对涂层起保护作用。目前人们将研究重点放在对TiAlN涂层的改进上，以满足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求的不断提高。目前德国CemeCon公司采用高电离溅射技术(HIS®)获得先进的TiAlN涂层，涂层与基体有极好的结合力，避免了采用多弧离子镀技术时蒸发材料在熔融状态以液滴的形式沉积于工作表面的现象，从而可获得表面非常光滑平整的涂层。Balzers公司新开发的X.CEED涂层也是一种单层TiAlN涂层，具有优异的红硬性和抗氧化性，即使在恶劣的条件下，涂层与基体仍具有良好的结合强度。三菱公司的MIRACLE涂层是含Al丰富的(Al,Ti)N涂层，通过大幅提高膜硬度和抗氧化性而实现了对淬火钢的直接加工。

　　TiBN涂层是基于TiN和TiB2发展起来的多元涂层，它既增强了TiN涂层的硬度，又保持了良好的韧性，避免了BN涂层和TiB2涂层的脆性，涂覆刀具耐磨性及抗腐蚀能力显著提高，且磨擦系数较低。CHeau等人过溅射Ti-B靶材沉积出的Ti-B-N涂层结合力得以改善，且达到了44GPa的显微硬度。CemeCon公司开发的TiAlBN涂层，通过硼含量的变化，在加工过程中产生所谓“实时”现象，即通过硼扩散，形成BN、B2N3，从而得到有利于切削加工的润滑膜层。此外还有日立公司开发的高温下具有低摩擦系数的TiBON涂层。

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　　在TiN中加入Si元素形成TiSiN多元涂层，其抗高温氧化性较单涂层TiN明显提高。日本日立公司开发的适用于硬切削的TiSiN涂层具有36GPa的硬度和1100℃的开始氧化温度，此外日立公司还以Cr代替Ti元素，开发出具有润滑性，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强的材料加工的CrSiN涂层以及四元的具有超强耐氧化性的AlCrSiN涂层。

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　　Balzers公司另一具有代表性的多元涂层是以Cr元素替代Ti元素的AlCrN涂层，称为G6，该涂层具有HV3200的显微硬度，使用温度可达到1000℃，它的韧性超过钛基涂层(如TiAlN、TiCN)，更适合断续切削和难加工材料的加工。

　　成都工具研究所开发了我国首创的Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B两个系列共三种高性能多元复合涂层，具有优异的复合机械性能和优良的切削性能，主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上。其他的多元涂层材料还有TiMoN，TiCrN，NbCrN，NbZrN等。