PVD涂层刀具及其寿命研究进展

涂层刀具兼具基体材料强度高、韧性好以及涂层材料高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、良好热稳定性、良好抗高温氧化性等优点，有效解决了刀具硬度和韧性这对矛盾，即硬度高时，韧性通常较差；韧性好时，硬度一般不高，改善了刀具切削性能，减少了刀具破损和磨损，提高了刀具耐用度。

目前最常用的两种刀具涂层工艺为化学气相沉积法（Chemical VaporDeposition）和物理气相沉积法（PhysicalVapor Deposition）。PVD是在真空条件下，采用电弧放电技术使靶材蒸发并与周围气体一起电离，金属原子通过气相反应过程，利用电场的加速作用，在基体表面沉积出具有某种功能的涂层。CVD沉积温度高达1000-1100℃，超出了许多材料的处理温度，即使采用硬质合金也会产生G相缺陷，另外可用CVD工艺涂层材料的类别较少，应用于切削刀具仅TiC、TiN、TiCN、Al2O3等。PVD加工温度一般在250-450℃之间，较CVD处理工艺温度低，不改变基体材料强度，故刃口可刃磨至十分锋利，易切入工件，更有利于切削加工；降低了表面的摩擦系数，减少了因摩擦而引起的弹、塑性变形，减小了切削热的产生量；不使用切削液，对环境影响较小，符合绿色制造发展方向。

1  PVD涂层刀具及其寿命研究进展

常用的PVD技术有单一PVD技术和复合PVD技术。单一PVD技术因其固有技术特点，已不能满足高速切削对于刀具的苛刻要求。复合PVD技术则将不同的单一PVD技术以不同方法和顺序加以组合，以获取具有优异综合性能的刀具涂层。发展至今，比较成熟的PVD工艺有：闭合场非平衡磁控溅射、电子束物理气相沉积，离子束增强沉积。涂层材料已有氮化物、碳化物、氧化物等。涂层元素组成也由二元发展到了多元，层数也从单层到了多层。涂层结构新开发有梯度结构，纳米结构。涂层厚度已经从微米级发展至亚微米级、纳米级。

(1)单层涂层刀具寿命研究现状

 ①二元氮化物涂层刀具寿命

TiN涂层室温下硬度可达2100-2300Hv，摩擦系数小，有较好的抗粘着磨损特点，研究最早且应用最为广泛，常用于钻头、铣刀等。同未涂层刀具相比，TiN涂层刀具后刀面耐用度提高了2-4倍，有TiN涂层的钻头使用寿命提高了5-7倍，有TiN涂层的铣刀的使用寿命提高了3-11倍。

CrN涂层较TiN涂层硬度高，耐磨性好，内应力低，尤其是耐腐蚀性能更好，抗高温氧化性能更好。CrN涂层相比于未涂层、TiN、TiAlN涂层，钻削性能更加优异，可明显提高高速钢刀具的切削性能。有研究表明，经优化后的CrN涂层钻头使用寿命约为未涂层钻头的5倍。

由于高速切削和干切削发展，进一步对刀具材料性能提出了更高的要求，相应二元常用涂层TiN也正被性能更优异的三元涂层TiAlN所替代。因为刀具涂层性能与其化学组成有着紧密联系，在二元涂层加入其他元素可有效改善涂层性能，如加入Al，Cr可形成致密的Al2O3和Cr2O3膜，可增强涂层抗氧化和耐腐蚀能力；加入Zr，生成ZrO2薄膜，可提高涂层耐磨性；加入Si可细化晶粒，提高硬度，增强抗化学扩散能力，增强膜基结合力；加入C可提高硬度，可细化晶粒，优化组织结构。涂层材料成分多元化，成为今后研究趋势。

②多元氮化物

TiCN涂层硬度高，较高切削速度下可减小摩擦系数，其中C含量可细化晶粒，优化组织结构，可提高硬度，改善刀具切削性能，延长刀具寿命。李银成等在优化条件下制备的TiCN涂层的硬度最高可达38.5 GPa，远高于TiN涂层的27.9 GPa硬度。TiCN涂层钻头在钻孔数为TiN涂层钻头两倍时的磨损量仍低于TiN涂层钻头。

TiAlN涂层具有优异的力学性能，较TiN涂层化学稳定性好，抗氧化能力强，更耐磨损，广泛应用在刀具表面，改善切削性能。图2为宋昌才等用三种不同涂层刀具高速铣削模具钢(52HRC)后刀面的磨损量的比较，TiAlN涂层铣刀磨损平缓；在高切削速度下，磨损量远低于另两种刀具；在切削速度为150m/min时，工作寿命较TiN涂层刀具和未涂层刀具约分别提高2倍和3倍。魏莎莎等用两种涂层刀具分别钻削、铣削S50C模具钢并作寿命对比，结果表明，钻削时TiAlN较TiCN涂层刀具耐用度约提高了3-4倍，铣削时约提高了1-2倍。

Al元素含量对TiAlN涂层刀具切削性能产生影响，含铝量较高时，刀具切削性能好。图3为龙震海等研究的不同配比涂层刀具寿命T和切削速度v的T-v曲线，由于T02型刀具涂层Al含量更高，切削时发生氧化反应，产生的高硬度、高热稳定性的Al2O3组织更多，使用寿命相应更长。

在AlN基础上添加Cr元素形成的AlCrN涂层硬度在32GPa，耐磨性好，热化学稳定性好，抗高温氧化性能优于TiAlN涂层。研究表明，在Al含量小于40at%的范围内，涂层显微硬度随着Al含量升高而增大，摩擦系数随着Al含量增大而减小，最佳摩擦系数在0.29-0.38之间，而且涂层结合强度更高。Cr含量的高低则影响高温稳定性，当在30at%以内时，即便1200℃高温环境下仍大量存在着六方AlCrN基结构，因此抗高温氧化性能好。图4为王新永等用AlCrN涂层刀具以不同速度对高温镍基合金进行了切削试验，在不同切削速度下，AlCrN涂层刀具磨钝时间约分别为130min、25min和11min，更适用于低速切削；当切削速度为20m/min时，AlCrN涂层刀具的刀具寿命达130 min左右，约为TiA1N涂层刀具的1. 5倍，为未涂层YW1刀具的6. 0倍。          

TiAlSiN涂层硬度达3700Hv，且氧化温度达到了1300℃，其膜基接合力高达100N。图5为李佳等用TiAlN涂层刀片与TiAlSiN涂层刀片切削不锈钢材料时发现，TiAlSiN涂层刀片的寿命较TiAlN涂层刀片寿命有所提高，在切削速度为120/min时，约提高了20%。

AlCrTiSiN涂层，随着Al/Cr比由0.4减小到0.2，涂层硬度和结合率增加，摩擦系数和磨损率下降，此外，Si和O的结合，形成SiO2氧化膜，进一步降低了涂层的磨损率。牛宝林等用三种不同刀具切削45钢和铸铁，对比其使用寿命。结果表明，AlCrTiSiN涂层刀具使用寿命均比AlCrN涂层刀具长，切削铸铁时，约为1.6倍；切削45钢时，约为2倍；无涂层刀具的最差。

近些年来，有研究人员进行了超硬涂层的研究与制备。超硬涂层材料硬度高于4000Hv，较硬质涂层，摩擦系数更小，切削变形小，切削力小，产生的切削热少，抗磨损性能好。下面介绍了类金刚石涂层、氮化碳涂层、氧化铝涂层的抗磨损性能研究。

③碳化物涂层

类金刚石涂层(DLC)硬度极高、摩擦系数低、与非铁金属亲和力小，常用来加工石墨、复合材料等。用不同涂层刀具对碳纤维复合材料的加工试验结果表明，TiAlN和TiCN涂层钻头较未涂层钻头磨损小，但DLC钻头的耐磨性和已加工表面精度明显优于另外两种涂层。

吴大维等采取DC磁控溅射方法制备C3N4薄膜，最高显微硬度可达58.46Gpa，耐磨性能优异。表1为钻孔寿命试验结果，C3N4涂层麻花钻的平均寿命是TiN涂层麻花钻的2.7倍，是未涂层麻花钻的67.8倍。

④氧化物

 Al2O3涂层硬度极高，较Cr2O3有更好的耐蚀性、热稳定性。基于激光熔覆技术，Hong等研究三种不同Al2O3含量NiCoCrAlY涂层(高温防护涂层)高温摩擦磨损行为。结果表明，添加1.0 wt% nano-Al2O3p 的涂层，表现最为优异，磨损率仅为未涂层的58%。磁控溅射Al2O3、Cr2O3涂层与铜合金室温下的环块干摩擦性能，研究表明，Al2O3耐磨损性能要优于Cr2O3。

由于加工材料的复杂化，多元涂层有时也并不能满足加工要求，正逐渐被多层复合涂层替代。根据待加工工件材料和切削条件，涂覆不同功能涂层，以达到理想切削效果。尤其在硬涂层上涂覆软涂层（MoS2、WC/C等），从而获得低摩擦系数的涂层表面和结合强度高，硬度高的涂层底层，成为研究热门。

(2)多层涂层

陈政文等研究多层稀土TiAlN/Ta硬质合金涂层刀具在车削加工45淬火钢的切削性能，并同TiAlSiN涂层刀具对比发现：TiAlN/Ta涂层刀具受到的切削力、被加工件表面粗糙度值、磨损量都略小于TiAlSiN涂层。苏宇辉等利用离子渗氮/离子镀工艺在高速钢钻头和高速钢铣刀上合成NL/TiN和NL/TiCrN涂层，并对调质40Cr钢进行了切削实验。结果表明： NL/TiCrN复合涂层高速钢铣刀寿命，较TiCrN涂层高速钢铣刀提高约30%。

小结

涂层材料由原TiN发展成TiCN，TiAlN等各种硬质涂层，种类不断增加，向着多元化发展。不同涂层成分可组成复合涂层，向着多层化发展。超硬涂层（C3N4、Al2O3）、软涂层（MoS2、WC/C）的研究已成今后研究趋势。随着涂层向着多元化，复合化，越来越硬和越来越软的方向发展，涂层刀具的寿命，耐磨损性都有了明显的提高。