涂层刀具的切削性能及其应用动态
摘要:涂层刀具是一种先进的切削工具，由于其优良的切削性能而备受人们关注。综述了各种涂层刀具的切削性能及其在切削加工中的应用现状。涂层刀具的种类从单涂层刀具发展到多元复合涂层刀具；涂层的层数从单层发展到多层，而且各单涂层的厚度趋于纳米化。因此，纳米复合涂层刀具将是今后涂层刀具的应用热点。与未涂层刀具相比，涂层刀具可有效地延长刀具的使用寿命，使刀具获得良好的综合机械性能，从而大幅度地提高其机械加工 效率。
关键词:涂层刀具 切削性能耐磨性能实际应用
Cutting Performance and Application of Coated Cutting Tools
ZHAO Shilul ，ZHANG Junl ，LIU Changshen9
(1 Key Laboratory of Materials Anisotropy and Texture Engineerin9，Northeastern University，Shenyan9 110004；2 School of Mechanism Engineerin9，Shenyang University，Shenyan9 110044)
Abstract The coated cutting tools are a kind of advanced cutting tool with good cutting performance．The cut ting performance and application of every coated cutting tool in cutting machining are outlined．They have been deve loped from single me
tal coated cutting tools to multi-co
nstituent coated cutting tools．Then the coalings have been im—proved from the single layer to multilayer，and the nano composite coatings are the development trend．So the nano—composite coated cutting tools will be the application hotspot in the future．The service life of coated cu tting tools andtheir comprehensive mechanical property can be enhanced more effectively than their uncoated counterparts，thus the mechanical processing efficiency is improved largely．
Key words coated cutting tools，cut ting performance，wear resistance，applicat ion
引言
涂层刀具的出现是刀具发展史上的重大突破，它具有良好的切削性能，而且涂层材料作为化学屏障和热屏障，减小了月牙洼磨损，耐磨性良好。与未涂层刀具相比，涂层刀具加工精度提高0．5～1级，刀具消耗费用降低20％～50％，耐磨性提高2～10倍，切削速度提高25％～70％，使用寿命延长3～5倍 。
多年来，困内外涂层刀具的研究主要集中在TiN涂层上，并取得了一定的成效，目前TiC、TiN等单涂层刀具已经大量产业化。为了进一步提高涂层刀具的使用性能，以(Ti，Al)N涂层为代表的多元复合涂层刀具近10年得到了广泛的应用。目前，多元多层复合涂层刀具的发展在国内尚属于起步阶段，以期获得更完善的综合性能。
1 单涂层刀具的切削性能
1．1 TiC系涂层刀具
TiC涂层刀具的优越性表现在高的切削速度和优良的抗机械磨损、磨料磨损性能上。用涂层刀具车削中碳钢时，其后刀面及前刀面磨损速度分别只有未涂层刀具的l／10及1／l00，具有良好的抗月牙洼磨损能力；在耐磨性相同时，其切削钢的速度可提高50％～l00％，有时可高达2～3倍；铣削45#钢时，其刀具耐磨性比硬质合金铣刀高3倍，切削效率可提高50％。TiC涂层刀具具有较小的切削力和较低的切削温度，应用温度为300℃左右。
但是，TiC涂层脆性大，不耐冲击。在沉积TiC涂层时，基体与涂层之间生成脆性的中间层η相(Co
3 W3C)。这是由于C的不足，WC置换生成W2C，它与WC的粘合剂Co结合生成η相。η相过厚会造成TiC涂层的破碎。实验证明，η相控制在1～2μm时刀具耐磨性高，涂层不会产生宏观裂纹或脱落现象。
TiC涂层刀具适合在中速或高速条件下使用。这是由于在高速高温下，TiC涂层刀具具有良好的抗扩散和抗氧化性能；而在低速低温下，刀具磨损以粘结磨损和磨料磨损为主，涂层刀具表面脆性较大，抗拉强度低，而且还常常存在残余应力，容易产生剥落和崩刃现象，刀具耐磨性甚至还低于未涂层的刀具。
1．2 TiN系涂层刀具
TiN涂层月具是第一种产、业化、并在刀具行业得到广泛应用的硬质涂层刀具。目前国内外的刀具公司都有TiC和TiN涂层牌号的产品。尽管经过30多年的发展，涂层家族已出现了许多新的成员，但至今主流涂层仍是TiN涂层，同时它也是制备其它高性能涂层的基础。
与TiC涂层刀具相比，TiN涂层刀具具有更低的摩擦系数和切削变形系数，因而切削力也更小。而且它的抗粘结温度高，切削温度为500℃左右，抗月牙洼磨损性能好。TiN涂层刀具适用于硬质难加工材料及精密、形状复杂的轴承等耐磨件，对易粘结在刀具前刃面上的工件，切削效果更明显。目前发达国家中，TiN涂层刀具的使用率占刀具总数的50％～70％，有些不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90％。经TiN涂层后的丝锥耐磨性可提高5～10倍；钻头耐磨性提高3～10倍；铣刀耐磨性提高6～10倍。TiN涂层刀具的使用寿命也得到了普遍的延长，涂层后的高速钢钻头寿命延长5～7倍；硬质合金铣刀的寿命延长3～11倍；M3滚刀的寿命提高8倍多。
1．3 Al2O3系涂层刀具
Al2O3涂层是氧化物陶瓷涂层，它的刀具切削性能优于TiC和TiN涂层刀具。Al2O3涂层刀具具有更好的化学稳定性和抗高温氧化能力，因此具有更好的抗月牙洼磨损和抗刃口热塑性变形的能力，适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃和打刀的场合。在连续切削的条件下，涂层的耐磨性和热稳定性是影响刀具耐磨性的主要因素。Al2O3。涂层刀具由于具有高的硬度和优良的抗氧化能力，其切削性能优于TiC涂层刀具；但在断续切削条件下，由于有冲击力的作用，涂层的韧性成为影响耐磨性的主要因素。Al2O3涂层刀具的韧性较差，故其耐冲击性能远不如TiC和TiN涂层刀具。用Al2O3 涂层的硬质合金刀具加工汽车铸铁刹车盘、刹车鼓和轴承盖时，其耐磨性比TiC涂层刀具高2～4倍，比普通的硬质合金刀具高6～8倍。
1．4 其它XN系涂层刀具(x=Cr，Zr，Hf等))
CrN系涂层因其具有良好的抗氧化、耐腐蚀及抗磨损性能而受到较多的关注。它在抗微动磨损上表现尤佳，抗氧化温度高达700℃，但脆性比较大。CrN涂层刀具主要用于塑胶模具、冲头等零部件的加工，由于它是无钛涂层，可以有效地切削钛、钛合金及铝合金等软材料，而且它可达到极高的沉积速率且其工艺较易控制，有利于大批量的工业生产，所以更加具有实际意义。
ZrN系涂层刀具的耐磨性是TiN涂层刀具的3倍，涂层与基体有很牢固的结合强度，因此有很高的耐冲击性，它的抗氧化温度为700℃，具有较好的化学稳定性能。ZrN涂层刀具已在铝合金、铜合金及一些精密工件的切削加工上获得了广泛的应用。由于ZrN涂层可以减少与Ti合金的粘结磨损，很适用于切削Ti及Ti合金，用于Ti合金钢板的ZrN涂层钻头的寿命比TiN涂层钻头的长l倍多。J A Sue等将ZrN、TiN等涂层与镍铬718合金配副，在500℃时ZrN的耐高温磨损性能优于TiN涂层。Jie Gu等将ZrN涂层应用于高速切削刀具，能有效降低刀具的磨损，提高工件的切削质量。
HfN系涂层的热膨胀系数非常接近硬质合金基体，刀具的热应力很小，不易崩刀。而且与很多高熔点材料相比，HfN涂层的热稳定性和化学稳定性高，在温度高达1200℃时仍有3000HV的硬度，没有生成脆性η相，因此HfN涂层刀具具有良好的耐磨性能。目前，美国Teledyne公司牌号为HN+4的刀片及德国Walter公司牌号为WHN的刀片都是HfN涂层刀片。
此外，由于TiC、TiN涂层与钛合金和铝合金材料之间的亲和力会使摩擦力增大，产生粘屑。而BN、VN、Mo2N、Cr2O3等涂层化学稳定性好，适于切削Ti、Cu、Al及其合金材料。
2多元复合涂层刀具的切削性能
单涂层刀具由于基体与涂层两者的弹性模量及热膨胀系数相差较大，晶格类型也不尽相同，导致残余应力增加、结合力较低。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提高耐磨性，加入Si提高硬度和抗化学扩散)制备出多元复合涂层，可降低涂层的成分离析效应，并明显提高涂层刀具的切削性能及耐磨性能。
2．1 Ti(C，N)系涂层刀具
Ti(C，N)涂层兼有TiC的高硬度和TiN的良好韧性，在涂镀过程中可通过连续改变C和N的成分来控制涂层的性质，形成不同成分的梯度结构，减小涂层的内应力，阻止裂纹扩展，减少崩刃。Ti(C，N)涂层刀具有效地控制了脆性l相的生成，提高了刀具的耐磨性及韧性。Ti(C，N)高韧性涂层刀具特别适用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比YTl4、YTl5硬质合金刀具的耐磨性高5～8倍。近年来，以Ti(C，N)为基的四元成分新涂层材料，如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等也纷纷出现。
成都工具研究所开发了我国首创的Ti-C-N-O-A1和Ti-C-N-B 2个系列的高性能涂层，具有优异的机械性能和切削性能，主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上。
2．2 (Ti，Al)N系涂层刀具
(Ti，Al)N涂层既具有接近TiC的高硬度、高耐磨性，又具有与TiN涂层相当的结合强度。当温度超过750℃时，Al元素使涂层的外表面形成一层极薄的非晶态Al2O3,从而形成硬质惰性保护涂层，可以阻止进一步氧化，大大提高涂层的抗氧化性。所以(Ti，Al)N涂层具有优于TiC、TiN、Ti(C，N)等涂层的机械物理性能，这使得它适用于高速切削和干式切削。
(Ti，Al)N涂层刀具能有效地用于连续高速切削，尤其适用于高合金钢、不锈钢、高硅铝合金、钛合金、镍合金等工件。在要求高耐磨性的条件下，TiN涂层刀具刚到磨损平缓区就超出切削要求而失效，而(Ti，Al)N涂层刀具经过平缓区后才开始磨损加剧而失效。又鉴于TiN涂层在高温性能方面所表现的不足，(Ti，Al)N涂层刀具有望部分或完全替代TiN，刀具寿命比TiN延长3～4倍。近年来，德国SGS、日本住友等国外著名刀具公司先后推出了(Ti，Al)N涂层铣刀，它们能直接高速切削淬硬钢，在淬硬钢的半精及精加工中发挥着巨大作用。实验证明，(Ti，AI)N涂层铣刀是目前高速铣削淬硬钢中最理想的刀具。
从环境保护的角度来看，迫切需要干加工技术的快速发展。(Ti，Al)N涂层刀具由于具有良好的红硬性、抗氧化性及比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，成为干切削加工中最好的涂层刀具。在高温连续切削时，(Ti，Al)N干式切削性能大大强虽于TiN。(Ti，Al)N涂层铰刀在干式切削和2倍常规切削速度的条件下，其断面磨损量远远低于(Ti，Zr)N涂层铰刀和ZrN涂层铰刀。
目前，在美、德、日等国家，(Ti，Al)N涂层刀具占所有涂层刀具的10％左右，且有上升趋势。例如，Kennametal公司的H7刀片和Balzers公司的X．CEED刀片都是(Ti，AI)N涂层。三菱公司的MIRACLE涂层是含Al丰富的(A1，Ti)N涂层，实现了对淬火钢的直接加工。另外，德国CemeCon公司开发的TiAlBN涂层，在加工过程中会产生“实时”现象，即通过8扩散形成BN、B2N3，从而得到有利于切削加工的润滑涂层。日立公司还开发了在高温下具有高硬度、高韧性及低摩擦系数的TiAlCN涂层，它们适用于车、铣、滚齿、攻牙及冲压等工艺。
2．3 (Ti，x)N系涂层刀具(X=Cr，Si等)
(Ti，Cr)N涂层由于Cr元素的加入使硬度提高到3200HV左右，并有利于提高基体与涂层的结合强度，使刀具在700℃时还具有良好的抗氧化性，(Ti，Cr)-N涂层刀具适合高速加工，切削速度可达400m／min以上，是一种很有发展前景的新型涂层。
(Ti，Si)N涂层刀具的抗高温氧化性能明显提高。日立公司开发的适于硬切削的(Ti，Si)N涂层刀具具有3500HV的硬度和ll00℃的开始氧化温度，使用寿命较TiN涂层刀具延长3～5倍。
2．4 (Ti，Al，X)N系涂层刀具(X=Cr，Si，Y，zr等)
向(Ti，AI)N中添加Cr、si、Y元素可以使涂层保持高硬度，而且还具有更好的抗氧化性能，氧化温度为950℃。当致密的保护性Al2O3膜形成以后，Cr能提高抗氧化性能，使涂层表面在高温下形成Cr2O3。等惰性氧化物和共价键AlN，这有利于刀具在高温下保持高的硬度、韧性和结合力。这些优良性能使(Ti，Al，Cr)N涂层刀具具有更好的切削性能和长得多的使用寿命，且端面磨损量远低于(Ti，Al)N。M2高速钢麻花钻经(Cr，Ti，Al)N涂层后，在于式切削条件下钻削45#钢、30CrMnSiA和D406A高强度钢时，钻头的寿命比未涂层的分别延长约l9倍、l5．2倍和6倍。
(Ti，Al，Zr)N涂层刀具的硬度进一步提高到3500HV左右，但加入Zr元素会在高温下形成ZrO，妨碍致密Al2O3防护层的生成，从而降低其抗氧化性。(Ti，Al，Si)N涂层刀具的氧化温度为1100℃，切削性能及耐磨性明显优于(Ti，Al)N涂层。目前，Teer公司已经将(Ti，Al，Cr)N、(Ti，Al，Si)N等涂层刀具用于对耐磨性、耐腐蚀性有较高要求的工件上。
2．5 其它非Ti基涂层刀具
日立公司以Cr元素代替Ti元素，开发出具有润滑性的(Cr，Si)N涂层刀具及具有超强耐氧化性的Al，Cr，Si)N涂层刀具。它们更适用于铝、不锈钢等粘结性强的材料加工。
Balzers公司开发的G6刀具是(A1，Cr)N涂层，它的性能明显优于Ti基涂层，具有3200HV的显微硬度，使用温度达到1000℃，韧性超过，Ti基涂层，可显著减小刀具的摩擦磨损，显著延长使用寿命，更适合断续切削和难加工材料的加工。BA-LINITAI_GRONA涂层是G6刀具的首种产品，该铣刀和滚刀适用于非合金钢、高强度和高硬度钢的干式切削，也适用于高热应力的加工。
3 多元多层复合涂层刀具的切削性能
3．1 简单多层复合涂层刀具
多元涂层与基体的热膨胀系数和弹性模量存在差异，在结构和性能上的匹配性较差，刀具往往会过早失效。多层梯度结构能极大地缓冲这些缺陷，增大涂层与基体的结合力；多层界面可打断柱状晶的生长，阻碍裂纹的扩展，提高表面的硬度；涂层和过渡层组成了稳定的耐磨损耐冲击强化区，提高了韧性，从而使涂层的使用性能增强。目前，应用得较多的是层数在2～7之间的涂层刀具。
最早的多层涂层刀具是由TiN、TiC和Ti(C，N)组成的，每层涂层厚为数微米。TiC／TiN双涂层刀具兼有TiC的高硬度和高耐磨性，并有TiN良好的耐冲击性和良好韧性，涂层与钢之间的摩擦系数小，抗氧化温度达700℃左右，它能满足高强度钢的高速精加工要求。TiN／Ti(C，N)双涂层能提高刀具的使用寿命、耐蚀性及抗开裂性。它的丝锥攻削铸铁件螺孔，攻丝效率平均提高5．59倍；它的高速钢钻头钻削40Cr钢，切削寿命比涂TiN的钻头长3倍。
A12O3涂层有很多优良的性能，但Al2O3。与基体的结合强度较差。由于TiC、TiN的热膨胀系数接近基体，所以常用作多层涂层的底层。美国Carmet公司生产的牌号为54S的刀片是在含有TiC的基体上涂5／μm厚的Al2O3涂层，其抗后刀面磨损性能优于TiC和AI2O3涂层，用于高速切削时具有良好的切削性能。
刘建华等采用多弧离子镀方法，在YG6、YTl4硬质合金基体上沉积ZrN／TiN复合涂层，涂层刀具切削力降低了20％；提高了涂层刀具的耐磨性能，有效地缓解了硬质合金刀具的后刀面磨损。
三涂层的组合方式很多，例如TiC／Ti(C，N)／TiN、TiC／TiN／Al2O3、TaC／TiC／TiN等，它们都是利用各涂层的优点，根据不同的切削条件组合而成的。最常见的是TiC／Ti(C，N)／TiN涂层，它的切削及耐磨性能好于TiC／TiN双涂层，大多数涂层刀具厂家都有这种涂层刀具。Sandvik公司的GC415刀片是TiC／TiN／Al2O3涂层，其抗磨损能力优于Si3N4。日本不二越公司开发的SG新型涂层，其结构为TiN／Ti(C，N)／Ti，它的结合强度高，表层为Ti系特殊涂层，具有极好的耐热性。
黄元林等在LF6防锈铝的基体上采用多弧离子镀技术沉积了Ti(C，N)／TiN／Ti(C，N)／TiN／Ti(C，N)／TiN 6层涂层，它的结合强度良好，耐磨性提高了10倍以上。
3．2 纳米复合涂层刀具
近几年来，随着纳米技术和涂镀工艺的发展，纳米复合涂层刀具已引起了广大研究者的关注。尽管这些涂层大多是实验室的结果，但它们显示出了良好的切削前景，将是今后涂层刀具的应用热点。21世纪以来，TIN／(Ti，Al)N、TiN／Ti(C，N)、TiN／CrN等纳米复合涂层刀具已在世界发达国家中逐渐实现了商业化，使用寿命延长了近10倍。
住友公司开发的ACl05G等牌号的刀具是TiN／AlN纳米复合涂层，层数可达2000层，每层厚度约为lnm。这种涂层的硬度接近CBN，抗剥离性强，而且可显著改善刀具表面粗糙度，其寿命是TiN、(Ti，Al)N涂层的2～3倍。Balzers公司的FU—TUNA NANO和FUTUNA TOP刀片是2种(Ti，Al)N纳米复合涂层，其硬度约为3300HV，氧化温度为900℃。(Ti，AI)N还可与其它涂层组成复合涂层，目前(Ti，Al)N／Al2O3涂层已研究成功，其硬度可达4000HV，涂层数为400层，单层厚度为5nm，切削性能优于TiC／Al2O3／TiN涂层刀具。CemeCon公司利用磁控溅射生产的(Ti，Al)N／Al2O3。涂层，温度低于450℃，在高性能合金材料上取得了满意的结果。日立公司开发的(Ti，Si)N纳米复合涂层刀具，其加工效率可提高2倍以上。同时，该公司还开发了适用于软钢加工的(Cr，Si)N纳米复合涂层刀具。三菱综合材料神户工具采用先进的单相(A1，Ti，Si)N纳米复合涂层技术生产的立铣刀，氧化温度达到1300℃，与基材的结合力达l00N，可大幅延长刀具的寿命。
4 结语
涂层刀具在切削加工中的应用效果十分显著，特别适用于高速切削、干切削及难加工材料的加工，尤其是在数控机床及自动线加工中经济效果显著。涂层刀具延长了刀具的使用寿命增大了机械加工的切削用量，提高了工件的表面质量，改善了切削环境。多元多层复合涂层刀具，尤其是纳米复合涂层刀具可以发挥多种材料的优点，大大提高了刀具的切削性能和耐磨性能，成为刀具涂层体系中较完美的设计，并为超硬涂层在刀具业上的扩大应用提供了广阔空间。目前，国外先进的涂层刀具技术已经发展到了第5代水平，而国内还仍在第2代技术水平上，比国外的技术落后l0年左右。我国涂层刀具的理论研究基本上与国外接轨，但如何指导工业化生产及进一步进行新技术的研发必须引起我们的思考和重视。
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