刀具納米涂層的類型及其性質(zhì)研究

陶傳琦

摘 要：硬質(zhì)合金涂層是指通過物理氣相沉積（PVD）等方法，在硬質(zhì)合金刀片的表面上涂覆耐磨的TiCN或TaC、HfN、Al2O3等薄層，形成表面涂層硬質(zhì)合金。硬質(zhì)涂層氣相沉積是機械加工行業(yè)中刀具表面增硬最為重要的技術(shù)手段，而相關(guān)新技術(shù)作為最早應(yīng)用到刀具表面的涂層，現(xiàn)今已經(jīng)朝多元、多層、納米結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。未來納米涂層應(yīng)用前景將會非常廣泛，本文正是在這種背景下，進行了涂層針對直柄刀具涂層的涂鍍要求的相關(guān)問題研究與分析。

關(guān)鍵詞：硬質(zhì)涂層 刀具表面增硬 刀具涂層

中圖分類號：TB43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）10（a）-0111-03

人類進入20世紀以來，科學技術(shù)水平的飛速發(fā)展和工業(yè)技術(shù)水平的不斷革新，使制造業(yè)取得了巨大的進步，同時也造就了人類社會財富的空前膨脹?？梢赃@樣說，制造業(yè)的進步，是人類社會和物質(zhì)文明進步的發(fā)動機。有資料顯示，美國的巨大財富來源有68%要歸功于制造業(yè)，同樣，我國現(xiàn)代化的發(fā)展進程在很大程度上取決于現(xiàn)代制造業(yè)和機械工業(yè)的發(fā)展水平，因此，機械制造業(yè)的發(fā)展是關(guān)乎我國現(xiàn)代化建設(shè)全局的。

刀具硬質(zhì)涂層的發(fā)展主要經(jīng)歷了從單一涂層到多元涂層再到多層涂層（或梯度涂層），而今天研究者們普遍研究的熱點集中在納米涂層上，納米涂層又可分為納米復合涂層和納米多層涂層兩類，按照前面對超硬涂層的分法，這兩種納米涂層均為非內(nèi)稟性硬質(zhì)涂層。

1 氮化鈦基單一涂層

單一涂層的種類很多，大都發(fā)展成熟且得到了廣泛的應(yīng)用。根據(jù)化學鍵的性質(zhì)來分，可以將單一涂層分為：（1）共價鍵類：例如DLC等，其優(yōu)點是具有較高的硬度。（2）金屬鍵類：例如TiN、CrN、TiC等，這類涂層具有較好的綜合性能。（3）離子鍵類：例如Al2O3等，其優(yōu)點是化學性質(zhì)穩(wěn)定。DLC涂層是一種由sp3和sp2鍵雜化而成的非晶碳涂層，在結(jié)構(gòu)上長程無序而短程有序，里面幾乎不含sp1鍵。這種特殊的結(jié)構(gòu)導致了DLC涂層擁有低摩擦磨損、高硬度、化學惰性好、光透性強和良好的生物相容性等優(yōu)良特性，然而通過現(xiàn)有途徑制備的DLC涂層往往具有較高的內(nèi)應(yīng)力水平，從而導致涂層和基體材料的附著力低下，尤其是在極端條件下，如航空航天的真空、高溫等。

TiN和TiC也是較早出現(xiàn)的刀具涂層材料。理想化學劑量比的TiN屬于立方晶系，金黃色，具有金屬光澤，TiN涂層由于其優(yōu)良的摩擦學特性和化學穩(wěn)定性而被廣泛應(yīng)用于機械加工刀具、微電子器件擴散膜、航空航天防護部件等，又因其具有金屬光澤且顏色是大眾喜好的金黃色，所以也應(yīng)用于裝飾鍍涂層，如表帶和義齒等；TiC涂層為淺灰色，也具有金屬光澤，立方晶系，其具有高硬度和楊氏模量、低磨損、抗化學腐蝕、高熱導率和高電子遷移率等優(yōu)良特性，在機械、電子、航空航天等方面都有廣泛的應(yīng)用，此外，在高碳含量下涂層趨向于黑色，因此也常常用于各種裝飾涂層，如手表的外殼、表帶以及一些工藝品等。CrN涂層出現(xiàn)得比較晚，相對于TiN涂層來說，韌性較強，尤其是與鐵基材料結(jié)合固溶可以獲得優(yōu)良的附著力，而且可以獲得超厚涂層，相比于大多數(shù)二元涂層，CrN的抗磨損性和耐氧化腐蝕性能都有上佳的表現(xiàn)，在氮含量不足的情況下CrN涂層系統(tǒng)會有CrN和Cr2N形成，分別為面心立方晶體和六方晶體結(jié)構(gòu)，兩相的力學性能都很好，因此該涂層在注塑模具、機械零部件和裝飾防腐等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

2 氮化鈦基多元涂層

隨著現(xiàn)代材料加工切削技術(shù)的不斷革新，在干式切削和高速切削等加工技術(shù)上傳統(tǒng)的單一涂層刀具已經(jīng)難以滿足需求。例如，TiN涂層的抗氧化性溫度最高只能到600℃，顯然難以滿足一些加工工藝的需求，因此必須提高單一涂層的性能。在單一涂層中添加某些元素形成多元涂層，可以大大提高單一涂層的綜合性能，例如在TiN涂層中摻入Al元素，用原子半徑較小的Al原子替代Ti原子形成TiAlN涂層，使TiNB1-NaCl結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)從0.423nm減小至0.417nm，從而提高涂層硬度，此外高溫下Al元素形成致密的Al2O3還顯著提高了涂層的抗氧化性，該涂層在800℃條件下依然保持良好的機械性能；而摻入C元素形成的多元涂層具有良好的潤滑性；加入Si元素則可以減少涂層能元素擴散和增強機械性能。Ti1-XAXN涂層根據(jù)涂層中鋁（Al）含量的不同可以分為高鋁、中鋁和低鋁3類：其中X>0.5為高鋁氮化鋁鈦，X<0.5為低鋁氮化鋁鈦，X=0.5中鋁氮化鋁鈦，隨著鋁含量的增加，涂層顏色從金黃色過渡到古銅色最后變?yōu)樗{黑色。亞穩(wěn)相的Ti1-XAXN涂層在退火過程中有納米尺度的自組織，例如在切削摩擦高溫狀態(tài)下涂層發(fā)生自適應(yīng)效應(yīng)從而使其硬度增加，這種特性使得涂層在干切削和高速切削中有良好的表現(xiàn)，尤其是高鋁涂層。TiCN涂層取高硬度低摩擦系數(shù)的TiC和高韌性的TiN之所長，在需耐磨損摩擦的地方有良好的應(yīng)用；在CrN涂層中添入C元素形成CrCN有很好的化學穩(wěn)定性，因而在有色金屬加工中有效地緩解了焊接效應(yīng)。

3 多層涂層

隨著切削技術(shù)和刀具涂層技術(shù)的發(fā)展，單層多元涂層也難以滿足生產(chǎn)中的各種要求。而多層復合涂層可以根據(jù)不同的加工材料和工作條件，發(fā)揮幾種材料各自的優(yōu)點，大大提高了刀具涂層的耐用度。

圖1中涂層淺色層為Cr層，深色層為CrN，多層涂層采用微米級的有限層涂層組合，根據(jù)需要設(shè)計多層種類和周期，其中組成層都有著不同的摩擦學特征，這類結(jié)構(gòu)會在兩層之間大量的中間接口消散硬質(zhì)涂層能量，打斷柱狀晶體生長，獲得更為致密的結(jié)構(gòu)，采用元素成分或材料應(yīng)力梯度變化在獲得優(yōu)良性能的同時還能有效緩解涂層沉積過程中由于材料間熱膨脹系數(shù)不同帶來的熱殘余應(yīng)力和缺陷，因此這種組合結(jié)構(gòu)涂層獲得了比其中任何單一涂層都優(yōu)越的機械性能和高溫性能。此外多層涂層還常常設(shè)計有冶金層或結(jié)合層來提高涂層的膜-基結(jié)合力，為了增強涂層的表面性能還會引入頂層處理。

4 刀具的納米涂層endprint

納米技術(shù)是21世紀科學和技術(shù)發(fā)展的主要驅(qū)動力之一，制備晶粒尺寸在100nm以下的納米材料是當今材料科學技術(shù)的研究熱點，通過在原子、分子或超分子尺度（一般為1～50nm）控制材料的合成、加工或應(yīng)用，從而使新材料、新器件、新系統(tǒng)獲得特異屬性和特殊功能。當材料晶粒尺寸小于50nm，尤其是在10nm左右會有很明顯的材料空間效應(yīng)，帶來材料熱學性能、動力學性能、電磁性能和機械性能的改變，例如在機械性能上會使材料的彈性模量減小，屈服點、顯微硬度、斷裂韌性和耐磨性等增強。因此，納米材料技術(shù)的興起和發(fā)展，也導致了納米結(jié)構(gòu)刀具涂層的開發(fā)和研究，納米涂層根據(jù)致硬機理的不同可以分為納米復合涂層和納米多層涂層兩類，按照前面對超硬涂層的分類，均屬于非內(nèi)稟性硬質(zhì)涂層。

納米多層結(jié)構(gòu)涂層一般是由兩種厚度在納米量級尺度的不同種材料交替排列而成的涂層體系，在厚度方向上涂層存在納米量級周期性，具有雙層厚度（10nm左右）的基本固定的超點陣周期，也叫超晶格或者超點陣涂層，每一個不同材料或者結(jié)構(gòu)的雙層稱為一個調(diào)制周期（modulatedperiod）。涂層的納米多層結(jié)構(gòu)在力學性能上有超硬和超模量效應(yīng)，其硬度和彈性模量比其中任何單一組分涂層的都高出許多，例如TiN涂層的硬度為23.5GPa，NbN涂層的硬度為31.0GPa，而TiN/NbN納米多層涂層硬度可以接近40GPa，而且涂層的抗裂紋擴展能力和韌性也明顯提高。對于納米多層涂層，結(jié)構(gòu)接口對涂層的制備方法和生長過程非常敏感，并顯著地影響涂層的物理和力學性能。

5 結(jié)語

在機械制造的切削加工中，可以通過增加刀具工作時間、提高使用效率和產(chǎn)品的合格率來達到高效節(jié)能、綠色環(huán)保的目的。運用材料表面改性技術(shù)，在刀具表面涂覆薄層硬質(zhì)的金屬或非金屬化合物，即硬質(zhì)涂層，發(fā)揮它超硬、強韌、耐磨損等特點，可以滿足現(xiàn)代化金屬切削加工中刀具高可靠性、長壽命、高精度和良好切削可控性的要求。硬質(zhì)涂層的這些特性使它們適應(yīng)了現(xiàn)代材料加工和切削技術(shù)對金屬切削刀具嚴酷的技術(shù)要求，如高速切削、干切削和微潤滑切削等新型切削工藝。刀具涂層表面硬度高、耐磨性好、耐高溫氧化、化學性能穩(wěn)定，由于涂層在刀具和切削材料間起到了熱障和化學屏障的作用，使刀具有效地減少了切削磨損并且使刀具切削速度增加兩到七成，精度提高1.0級，有效工作時間較裸刀可增加三倍以上，使刀具使用成本大幅度降低。

參考文獻

[1] 梁俊才，周武平，張鳳戈，等.濺射靶材對TiAlN涂層形貌、結(jié)構(gòu)和力學性能的影響[J].真空科學與技術(shù)學報，2014（7）：714-719.

[2] 魯力，王啟民，陳柄洲，等.CrTiAlN涂層的顯微組織及其在高速干銑削中的切削性能（英文）[J].中國有色金屬學報：英文版，2014（6）：1800-1806.

[3] 王賽玉，藺紹江，陳肖.TiAlCrN涂層的高溫氧化行為[J].中國有色金屬學報，2013（8）：2267-2273.

[4] 蒙志林，趙廣彬，葛高峰，等.多弧離子鍍TiN/TiCrN/CrN多元多層復合膜的制備及性能研究[J].真空，2013（3）：66-69.

[5] 張國平，王興權(quán)，呂國華，等.Effect of pulsed biason the properties of ZrN/TiZrN films deposited by acathodic vacuum arc[J].中國物理B：英文版，2013，22（3）：375-379.

[6] 鄭建云，郝俊英，劉小強，等.直流磁控濺射制備TiAlCN薄膜及其性能研究[J].摩擦學學報，2013（1）：85-90.

[7] 胡霖，胡建軍，林國強，等.TC4鈦合金表面電弧離子鍍TiN/CrN納米多層薄膜研究[J].真空科學與技術(shù)學報，2012（10）：21-26.

[8] 陳鋒光，柯培玲，汪愛英.真空陰極電弧制備TiAlN涂層的硬度及摩擦學性能研究[J].材料導報，2012（12）：105-108.

[9] 孫維連，李穎，趙亞玲，等.磁控濺射溫度與時間對ZrN薄膜附著力的影響[J].材料熱處理學報，2012（5）：121-124.

[10] 顏培，鄧建新，連云崧，等.沉積時間對ZrTiN涂層微觀結(jié)構(gòu)及性能的影響[J].材料工程，2012（5）：30-34.endprint