TiAlN涂层刀具的发展与应用

摘要：TiAlN涂层作为一种新型涂层材料，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，有望部分或完全替代TiN ，尤其适用于高速切削。 文中对国内外TiAlN涂层刀具的发展与应用状况进行了综合评述，并着重分析了TiAlN涂层工艺及其切削性能。

1 引言

    对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一，随着涂层刀具的出现，使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具可以提高加工效率和加工精度，延长刀具使用寿命，降低加工成本。

    自20世纪70年代以来，刀具涂层技术取得了飞速发展，涂层工艺越来越成熟。西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26%增加到1985年的50～60%。新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具。瑞典山特维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达80～85%以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为80%，瑞典和德国车削用涂层刀片已占70%以上。1981年～1985年期间，前苏联的刀具产量增加了16%、硬质合金刀具增加了29%，而涂层刀具则增加了5倍。涂层刀具己成为现代刀具的重要标志，并将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种之一。

TiAlN涂层作为一种新型涂层材料，具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性，尤其适用于高速切削高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金等材料。在要求高耐磨性的场合下，鉴于TiN涂层在高温性能方面所表现出的不足，TiAlN有望部分或完全替代TiN，因此，TiAlN涂层刀具具有极其广阔的应用前景。

    自1985年Knotek等首次发表了关于TiAlN涂层的研究成果后，人们便对其优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能表示了极大的关注，已经用多种PVD方法成功制备了TiAlN膜。由于TiAlN涂层的制备方法不尽相同，已见报道的TiAlN涂层的性能也有差异。表1是几种常用涂层的主要性能比较(数据来源于Balzers涂层有限公司)。由表可以看出，TiAlN涂层具有高的硬度和氧化温度，随着涂层的多层化和纳米化，TiAlN涂层的性能正在逐渐提高。TiAlN的化学稳定性好，抗氧化磨损能力强，其硬度为3400～3600HV)，耐磨性仅低于类金刚石膜，是目前国际工具行业最为推崇的超硬涂层。当Al含量超过50%时，为了区别于TiAlN，有人称其为AlTiN。AlTiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高，铝含量可以超过65%；当铝含量提高后也会形成较软的AlN相，使其硬度降低，但是铝含量并不是影响硬度的唯一因素。AlTiN的硬度可达4500HV。目前TiAlN/Al2O3多层PVD涂层也已研究成功，这种刀具的涂层硬度可达4000HV，涂层数为400层(厚度5nm)，切削性能优于TiC/l2O3/TiN涂层刀具。

表1 几种涂层的主要性能比较
涂层材料 微硬度
(HV) 弹性模量
(GPa) 最大适用
温度(℃) 涂层结构 TiN 2300 260 600 单层 TiCN 3000 352 400 单层 TiAlN 3300 380 900 纳米结构

2 TiAlN涂层工艺

    涂层刀具的切削性能除与涂层材料有关外，在很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，涂层与基体的结合强度、涂层及其界面组织结构、择优取向、各单涂层厚度及总厚度等都是决定涂层刀具性能的重要因素。下面就从基体与涂层材料的选择和涂层工艺参数两方面进行阐述。

1) 基体与涂层材料的选择

    对于涂层刀具材料而言，涂层与基体及不同涂层之间的物理匹配程度影响界面应力载荷传递及材料性能，其中尤以各层之间的热膨胀系数的匹配程度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。由于热胀失配程度和弹性模量的不同，在材料内部将形成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应力、提高材料强度的角度上讲，应使基体与涂层的热膨胀系数更接近，弹性模量差较小；但从残余应力增韧和微裂纹增韧、提高材料断裂韧性的角度来看，存在适当的残余应力又是必要的。TiAlN涂层刀具基体一般选用高速钢或硬质合金，比如YG6、YG8、超细晶粒WC-Co硬质合金等，也可选陶瓷作基体。

    界面结合强度是影响涂层刀具性能的重要因素。除了选择匹配的材料外，在工艺中也可采取多种方法来改善TiAlN膜层与高速钢和硬质合金等基体的结合强度。如：成膜前进行预溅射清洗以除去不利于涂层与基体结合的杂质；成膜过程中用高能粒子轰击以提高膜基间组分相互扩散能力和膜表面原子的反应活性，降低缺陷的产生；引人如TiAl、Ti等中间过渡层，由于过渡层与基体和过渡层与TiAlN膜层两者的结合强度显著高于TiAlN膜层与基体的结合强度，因而有了过渡层的TiAlN膜层的临界载荷明显增加，过渡层的厚度可明显影响膜层与基体的结合强度。当过渡层进一步增厚时，过渡层被剪断的几率增大，导致临界载荷缓慢下降。界面结合强度可通过自动划痕仪测量临界载荷来确定。

2) 涂层工艺参数

    一般来说，采用PVD工艺可获得比CVD工艺更薄的涂层，且与基体结合较为牢固，同时，PVD涂层的沉积温度较低，在600℃0以下时对刀具材料的抗弯强度无影响。可采用多种PVD方法来制备TiAlN涂层刀具，比如多弧离子镀、电弧离子镀、空心阴极离子镀、磁控溅射离子镀等。选择不同的涂层方法所得到涂层刀具的性能有一定差异。目前，表征TiAlN涂层成分的主要参数有：rAl/Ti和rM/N，用这两个参数可以全面反映Ti、Al和N三者原子在涂层中所含的比例。影响TiAlN涂层性能的主要因素有界面结合强度、涂层中Al的含量以及涂层的成分和结构。

·多弧离子镀

    用多弧离子镀方法制备的TiAlN涂层刀具的涂层性能与靶材金属成分和工艺参数有关。一般说来，用TiAl复合靶制备的涂层的均匀性优于用分离Ti、Al靶制备的涂层。提高铝含量能较大程度地提高膜基结合力。但是，对于高Al含量的TiAl复合靶材，目前在制备工艺上还存在一定的困难。TiAlN涂层的组成受从分压、阴极弧流及基板偏压等工艺因素的制约：随着N2分压的增加，rAl/Ti升高，rM/N减小；随着阴极弧流的增大，涂层中rAl/Ti减小，rM/N增大；随着基体偏压的升高，rAl/Ti和rM/N降低(见图1)。

图1 基本偏压对TiAlN涂层成分的影响

·空心阴极离子镀

    采用空心阴极离子镀方法沉积TiAlN膜层。镀膜的主要工艺参数有：主弧电流、烘烤温度、镀膜时间、氢流量和镀膜时的真空度。N2的流量影响刀具的硬度和界面结合力。如图2所示，随N2流量的增加，膜基结合力和膜层的显微硬度呈上升趋势，达到最大值后开始下降，因此存在一个最佳值，以使膜基结合力和膜层的显微硬度最优。采用空心阴极离子镀方法制备出的TiAlN膜层连续、光滑、组织致密，膜基结合力比TiN膜层与基体之间的结合力有较大程度的提高，但相对于其它工艺还存在一定差异。

图2 膜层显微硬度及界面结合力随N2流量的变化

·能量脉冲等离子枪

    中国科学院物理所自主开发的高能量脉冲等离升枪能同时兼顾离子注入、物理气相沉积和等离子体氮化等多种以真空为基础的表面处理技术的优点，可以改进陶瓷涂层切削刀具的磨损性能。影响薄膜沉积的工艺因素很多，包括脉冲等离子体枪内外电极间放电电压(枪压Vgun)、脉冲等离子轰击试样次数、脉冲电磁进气阀电压、沉积室真空度、工作气体反应气压、等离子体枪和试样间的距离以及样品温度等，其中脉冲次数和枪压是最重要的两个参数。清华大学材料系用高能量密度脉冲等离子枪于室温下在硬质合金刀具基体上沉积了硬度高、耐磨损、膜基结合力强的TiAlN 薄膜，膜层的力学性能参数见表2。

表2 高能量密度脉冲等离子枪制备涂层的力学性能参数
涂层材料 纳米硬度
(GPa) 杨氏模量(GPa) 纳米划痕临界
载荷(mN) TiN 27 450 90 TiCN 50 550 110 TiAlN 38 650 100

·磁控溅射离子镀

    磁控溅射离子镀通过离子源对膜层进行离子轰击，是一种高温沉积工艺，工件一般要加热到300℃～5 00℃ 。此工艺克服了磁控溅射沉积速率低、离化率低和强烈基体热效应等缺陷，能显著提高膜基结合强度。非平衡磁控溅射离子镀用非平衡电源使约束在靶面附近的等离子体扩散到工件附近，提高系统的性能。非平衡磁控溅射以其优异的性能在国内外得到了广泛的应用。

    影响涂层性能的工艺参数有气体分压、偏压和沉积室的真空度、温度等。气体分压是指工作气体和反应气体的比值。在制备TiAlN涂层时工作气体为Ar，降低Ar的分压有利于提高镀膜速率、膜基结合强度和膜层致密度。随着Ar分压的降低，工作气体从分压增大。N2不但与沉积在工件上的膜层原子反应形成化合物膜，同时还会与靶材反应在靶面上形成化合物，产生靶中毒现象，因此确定二个最优的N2分压值是很重要的。中频交流磁控溅射消除了“阳极消失”效应和“阴极中毒”问题，大大提高了磁控溅射运行的稳定性。

3 TiAlN涂层刀具的应用

    TiAlN涂层具有优于TiC、TiN、TiCN等涂层的机械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复合涂层。在TiAlN涂层中有较高的Al浓度，切削加工时涂层表面会生成一层极薄的非晶态Al2O3，从而形成硬质惰性保护膜，非常适合应用于高速切削加工。干式或半干式切削是一个发展趋势。为实现干式切削，刀具涂层必须具有两个重要功能：可在刀具与工件之间起到热壁垒的作用，以减小作用于刀具基体的热应力；可起到固体润滑剂的作用，以减小切削摩擦及切屑对刀具的粘附。TiAlN涂层就是一种可较好满足上述要求的高性能涂层。

1）铣削AlSiH13/JIS SKD61淬硬模具钢(52HRC)

    TiAlN涂层铣刀是目前高速铣削淬硬模具钢最常用的理想刀具。由VC-MD型六齿TiAlN铣刀高速铣削AlSiH13/JIS SKD61淬硬模具钢(52HRC)的数据比较如表3 所示。

表3 不同速度不同冷却方式下TiAlN铣刀铣削长度比较
铣削速度
(m/min) 不同冷却方式下的铣削长度(m) 风冷 干切削 加切削液 157 300 300 200 314 300 150 50 471 300 200 50 628 150 120 –

    分别用VC-MD型号TiAlN涂层铣刀、TiN涂层铣刀和未涂层铣刀高速铣削AlSiH13/JIS SKD61模具钢(52HRC)，加工长度达50m后刀具周边后刀面的磨损情况如图3所示(进给速度：0.10mm/齿；轴向切深10mm，径向切深0.5mm；顺铣；风冷)。

图3 TiAlN涂层铣刀与其他刀具磨损比较

    由图3可以看出：TiN涂层铣刀和未涂层铣刀在V=200m/min时磨损量已较大，V继续增大时则出现剧烈磨损。TiAlN涂层铣刀的磨损曲线斜率较小，走势较平坦；其它两种刀具的磨损曲线斜率则较大。表明随着切削速度的增加，TiAlN涂层的磨损量变化很小，非常适合高速切削。TiAlN涂层刀具高速铣削模具钢时，主要磨损形式为微剥落，伴随着少量划伤。TiAlN较高的耐磨性主要是由于其较低的摩擦系数以及与凡极低的化学亲和力。磨痕表面略有Al、O富集，未发现其磨痕表面有Fe粘附，因为其与钢的粘附倾向很小。

2) 铣削钛合金Ti-6Al-4V

    TiAlN研涂层铣刀低速铣削钦合金Ti-6Al-4V时，刀具磨损量很小，磨损曲线较平坦。随着切削速度不断增大，刀具磨损量缓慢增加。但当切削速度超过1000m/min后，刀具磨损量快速增加(见图4)。切削热和机械振动是刀具失效的重要影响因素。断续切削钛合金材料产生的高温会使刀片的切削刃与其它部分之间产生较大温差，导致切削刃产生裂纹，裂纹的扩展将导致切削刃破裂及刀片破损。

图4 铣削速度与后刀面磨损关系曲线

3) 铣削合金结构钢42CrMo4V

    涂层厚度(一般为2～18µm)对于刀具性能具有重要影响。涂层的厚度及层数主要取决于工况条件，不一定是层数越多性能愈优。膜层的厚度过大会因处于高的应力状态而变脆，导致使用寿命减少。对于冲击力较大、刀具快速冷却和加热的间断切削，薄涂层承受温度变化的性能优于厚涂层，其应力较小，不易产生裂纹，因此薄涂层刀片干式切削时的寿命可延长。

    对PVD(Ti46Al54)N涂层硬质合金铣刀(涂层厚度3～10µm，硬度1400～2400HV0.0015)铣削合金结构钢42CrMo4V的研究结果表明上：机械性能和硬度对切削性能有影响，尤其是对于薄涂层。然而，对厚度为8～10µm的涂层，强度和硬度对切削性能的影响不是很大(见图5)。

图5 不同厚度和硬度的铣刀性能

    当具有一定的界面结合强度时，刀具的涂层厚度对后刃面磨损有较大影响，增加涂层厚度有利于提高抗磨损能力，磨损主要取决于涂层本身的厚度。TiAlN 硬质合金铣刀以V=200m/min铣削42CrMo4V时，涂层厚度与后刀面磨损的关系如图6所示。由图可知，当涂层厚度为3～6µm时，厚度的变化对后刀面磨损的影响不明显，而厚度为8～10µm的涂层，其抗后刀面磨损能力显著增强。

图6 不同涂层厚度铣刀铣削时后刀面磨损情况

    目前TiAlN涂层刀具的理想工作速度为183～244 m/min，主轴转速为20,000～40,000r/min或者更高，并且切削深度较浅。在这种工作条件下，生产效率较高，主轴所受压力较小，表面光洁，切屑较细有利于带走较多的切削热。高速切削镍基合金时，切削刃处的温度可能高达800℃ ，采用TiAlN干式切削对镍基合金特别有利。

    涂层刀具在使用过程中的磨损形式主要表现为中速时的磨粒磨损和粘着磨损、高速时的扩散磨损和粘着磨损，最后失效形式多为刀刃微区剥离，其机理是涂层中、涂层间和基体内部的裂纹产生和扩展。涂层与基体以及层与层之间存在明显的界面，是薄膜内应力的起源，导致涂层的剥落与破损。

4 结语

    TiAlN涂层刀具以其优异的切削性能展现出在高速切削时广阔的应用前景。TiAlN涂层刀具的普及应用将大大提高刀具耐用度，减少加工辅助时间，降低切削加工成本，提高企业经济效益。由于单一涂层材料难以满足提高刀具综合机械性能的要求，因此，在开发高性能、高可靠性涂层设备的同时，要优化涂层工艺和完善基体的成分与金相组织，改进涂层与基体、涂层与涂层之间的粘结力和基体的抗塑性变形能力。目前的研究方向为：提高铝的含量；改进涂层的成分，在TiAlN涂层中添加C(或Si)作为粘结剂强化涂层的显微结构，以改善其性能；改进涂层的结构，多层、梯度和纳米化也是TiAlN涂层的发展趋势。