現(xiàn)代化的金屬切削加工，對刀具的要求是高切削速度、高進給速度寸靶、高可靠性绵捡、長壽命壁肋、高精度和良好的切削控制性逊汤。涂層刀具的出現(xiàn)芜既，使刀具切削性能有了重大突破庵锰，它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合陪孩，由于基體保持了良好的韌性和較高的強度盅妹，硬質(zhì)薄膜表層又具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)，從而使刀具的性能大大提高阁吝。

　　1．現(xiàn)代金屬切削對刀具的要求

　　現(xiàn)代化的金屬切削加工突勇，對刀具的要求是高切削速度甲馋、高進給速度定躏、高可靠性痊远、長壽命拗引、高精度和良好的切削控制性椿烂。涂層刀具的出現(xiàn)，使刀具切削性能有了重大突破，它將刀具基體與硬質(zhì)薄膜表層相結(jié)合泳信，由于基體保持了良好的韌性和較高的強度筝仓，硬質(zhì)薄膜表層又具有高耐磨性和低摩擦系數(shù)，從而使刀具的性能大大提高甜殖。

　　自20世紀70年代初硬質(zhì)涂層刀具問世以來，化學氣相沉積(CVD)技術(shù)和物理氣相沉積(PVD)技術(shù)相繼得到發(fā)展缠捌，為刀具性能的提高開創(chuàng)了歷史的新篇章。涂層刀具與未涂層刀具相比十嘿，具有顯著的優(yōu)越性：它可以提高加工效率，提高加工精度岳锁，延長刀具使用壽命，從而保證加工件的質(zhì)量激率，降低加工成本咳燕。

　　2．刀具硬質(zhì)涂層新材料

　　2.1多元、復合硬質(zhì)涂層材料的發(fā)展

　　刀具表面的硬質(zhì)薄膜對材料有如下要求：①硬度高鉴吞、耐磨性能好征拆；②化學性能穩(wěn)定，不與工件材料發(fā)生化學反應(yīng)摹椅；⑧耐熱耐氧化虫棕，摩擦系數(shù)低，與基體附著牢固等梦啊。單一涂層材料很難全部達到上述技術(shù)要求车榆。涂層材料的發(fā)展，已由最初的單一TiN涂層炼岖、TiC涂層耙钉，經(jīng)歷了TiC-Al2O3-TiN復合涂層和TiCN、TiAlN等多元復合涂層的發(fā)展階段楔侣，現(xiàn)在最新發(fā)展了TiN/NbN卡竣、TiN/CN，等多元復合薄膜材料株惶，使刀具涂層的性能有了很大提高蝴韭。

　　硬質(zhì)涂層材料中，工藝最成熟跑慕、應(yīng)用最廣泛的是TiN万皿。目前，工業(yè)發(fā)達國家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50%-70%核行，有的不可重磨的復雜刀具的使用率已超過90%牢硅。由于現(xiàn)代金屬切削對刀具有很高的技術(shù)要求，TiN涂層日益不能適應(yīng)芝雪。TiN涂層的耐氧化性較差减余，使用溫度達500℃時，膜層明顯氧化而被燒蝕惩系，而且它的硬度也滿足不了需要位岔。

　　TiC有較高的顯微硬度，因而該材料的耐磨性能較好堡牡。同時它與基體的附著牢固抒抬，在制備多層耐磨涂層時杨刨，常將TiC作為與基體接觸的底層膜，在涂層刀具中它是十分常用的涂層材料擦剑。

　　TiCN和TiAlN的開發(fā)吊冬，又使涂層刀具的性能上了一個臺階。TiCN可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力婉涌，提高涂層的韌性量伏，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴散夏坝，減少刀具崩刃畴贵。將TiCN設(shè)置為涂層刀具的主耐磨層，可顯著提高刀具的壽命花脐。TiAlN化學穩(wěn)定性好幅秉，抗氧化磨損，加工高合金鋼茎倘、不銹鋼钾趁、欽合金、鎳合金時租江，比TiN涂層刀具提高壽命3—4倍斑泳。在TiAlN涂層中如果有較高的Al濃度，在切削時涂層表面會生成一層很薄的非品態(tài)Al2O3献丑，形成一層硬質(zhì)惰性保護膜末捣，該涂層刀具可更有效地用于高速切削加工。摻氧的氮碳化鈦TiCNO具有很高的顯微硬度和化學穩(wěn)定性创橄，可以產(chǎn)生相當于TiC+Al2O3復合涂層的作用箩做。一些過渡金屬氮化物、碳化物妥畏、硼化物以及它們的多元復合化合物邦邦，有的具有相當高的硬度，這些材料都可以開發(fā)出來應(yīng)用于涂層刀具醉蚁，將會使涂層刀具的性能有新的突破燃辖。

　　2.2低壓氣相合成金剛石薄膜的應(yīng)用

　　在上述硬質(zhì)薄膜材料中，顯微硬度HV能夠超過50GPa的有3種：金剛石薄膜网棍、立方氮化硼CBN黔龟、氮化碳β-C3N4。這些為數(shù)不多的超高硬度薄膜材料的出現(xiàn)滥玷，為涂層刀具硬質(zhì)薄膜的發(fā)展開辟了十分稀少而昂貴的天然金剛石遠遠滿足不了現(xiàn)代工業(yè)的需要氏身。20世紀50年代中期，美國通用汽車公司人工合成了金剛石信撞，得到顆粒狀和粉末狀金剛石爱亡。由于顆粒狀金剛石加工困難穴你，很難把它涂到刀具表面。機械行業(yè)常用的聚品金剛石刀片(PCD)也由于幾何形狀單一别逐，無斷屑槽和合理的幾何參數(shù)撒殷，限制了其性能的發(fā)揮羔漂。70年代初采用低壓化學氣相沉積方法合成了金剛石薄膜敢智，經(jīng)過20多年的技術(shù)攻關(guān)，低壓氣相合成金剛石的技術(shù)終于有了重大突破匹说，研究金剛石成為世界性的熱門課題晚号。

　　金剛石和石墨是同素異形體，金剛石品體是立方品系卫驯，屬Fd3m空間群殃忠；而石墨是六角品系，屬R3m空間群毫痢。由于原子之間的鍵合方式不同趾始，使其性能差異十分巨大。從熱力學的理論來看耙旦，石墨比金剛石更穩(wěn)定脱羡。低壓氣相生長金剛石，在碳的相圖中免都，是在石墨為穩(wěn)態(tài)而金剛石為亞穩(wěn)態(tài)的區(qū)域中進行锉罐。然而，由于兩相的化學勢十分接近绕娘，兩相都能生成脓规。低壓氣相合成金剛石的關(guān)鍵技術(shù)是抑制石墨相，促進金剛石相生長险领。常用的合成方法有熱絲法侨舆，等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)，包括微波PCVD绢陌、電子回旋共振ECR—PCVD挨下、直流和射頻PCVD等方法，直流和高頻電弧放電熱等離子體法等下面。反應(yīng)過程中輸入的能量(如射頻功率复颈、微波功率等)、反應(yīng)氣體的激活狀態(tài)和最佳配比董翻、沉積過程的成核模式等圾董，對于生成金剛石膜有決定性作用。襯底材料的晶型和點陣常數(shù)對金剛石膜成核生長影響很大桨挂，當金剛石相和石墨相在襯底上同時成核時几谐，石墨相就會迅速生長恳瞄。如果存在高濃度的原于氫就會對長出的石墨相起腐蝕作用而將石墨相除去，雖然它也能對金剛石相起腐蝕作用坊欢，但速度卻慢得多漩践，從而達到抑制石墨相生長的目的。許多沉積金剛石薄膜的溫度要求為600℃-900℃甥归，因此該技術(shù)常用于硬質(zhì)合金刀具表面沉積金剛石薄膜肝唁。

　　金剛石硬質(zhì)合金刀具的商品化，是近幾年涂層技術(shù)的重大成就卑保。

　　2.3立方氮化硼CBN薄膜技術(shù)尚待突破

　　與人工合成金剛石薄膜相比处冰，人工合成CBN薄膜的研究工作開展得較晚。BN有3種異構(gòu)體：

　　CBN立方品系閃鋅礦結(jié)構(gòu)天俺，F(xiàn)43m空間群赞辩；h—BN六方品系石墨結(jié)構(gòu)，P6/mmc空間群授艰；w—BN六方品系纖鋅礦結(jié)構(gòu)辨嗽，P63mc空間群。3種異構(gòu)體的性能差別很大淮腾，h—BN具有與石墨極為相似的結(jié)構(gòu)糟需，質(zhì)地很軟。而w—BN和CBN中来破，B篮灼、N原子都要被此形成四配位結(jié)構(gòu)，它們都是超硬材料徘禁。用高溫高壓方法得到的CBN是顆粒狀晶體诅诱，最高顯微硬度可達84.3GPa，CBN薄膜的最高顯微硬度為61.8GPa送朱，其綜合性能并不亞于金剛石薄膜娘荡。CBN在硬度和導熱率方面僅次于金剛石，熱穩(wěn)定性極好驶沼，在大氣中加熱至1000℃也不發(fā)生氧化炮沐。CBN對于鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學性能，與金剛石不宜加工鋼材不同佛缕，它可以廣泛用于鋼鐵制品的精加工碉伙、研磨等。CBN涂層除具有優(yōu)良的耐磨損性能外陈汇，還可以在相當高的切削速度下加工耐熱鋼真译、鈦合金、淬火鋼，能切削高硬度的冷硬軋輥猬蚤、摻碳淬火材料和對刀具磨損非常嚴重的Si-Al合金等戒款。低壓氣相合成CBN薄膜的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學輸運PCVD执寺，熱絲輔助加熱PCVD区孩、ECR-CVD等；PVD則有反應(yīng)離子束鍍洞惕、活性反應(yīng)蒸鍍刑嚷、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。

　　CBN的合成技術(shù)庞溜，在基礎(chǔ)研究和應(yīng)用技術(shù)方面都還有不少工作要做革半，包括反應(yīng)機制和成膜過程、等離子體診斷和質(zhì)譜分析流码、最佳工藝條件的確定、高效率設(shè)備的開發(fā)等延刘。

　　2.4有可能超過金剛石硬度的氮化碳

　　20世紀80年代末漫试，美國科學家I’IU和Co-henE4’設(shè)計了類似p-Si3N4的新型化合物p-C3N4，采用固體物理和量子化學理論碘赖，計算了它的體模量驾荣、能帶和品格常數(shù)，發(fā)現(xiàn)氮化碳的體模量達到金剛石的數(shù)值范圍普泡。由于物質(zhì)的硬度與體模量成正比播掷，這樣序C3N4的硬度有可能達到金剛石的硬度，這引起世界各國科學家的關(guān)注撼班。1994年歧匈，I’IU公布了他的研究新成果E53，他采用了可變品格模型分子動力學(VCS—MD)從頭計算法砰嘁，擴展了低能量C3N4固體的理論研究嚎猛，指出C3N4可能具有3種結(jié)構(gòu)：六角品系的p相、立方品系的閃鋅礦結(jié)構(gòu)和三角品系的類石墨結(jié)構(gòu)鹤梯。1996年拉鳄，美國的Jeter和Hemley仍然采用第一性原理從頭計算法，但改變了計算過程犬洽。使用初始條件時凳福，采用共扼梯度法使電子自由度達到最小纪萎；使用邊界條件時采用周期函數(shù)则钩，將電子的波函數(shù)以平面波展開；使用了擴展標準守恒和強度守恒(ENHC)陽勢。得到了5種結(jié)構(gòu)的C3N4诅慧，它們分別是n相紧除、p相、立方相缺陷閃鋅礦結(jié)構(gòu)班聂、立方相硅鋅礦E結(jié)構(gòu)和類石墨相竿靠。除類石墨相以外，其它4種都是超硬材料霍衫。其中立方相硅鋅礦E結(jié)構(gòu)c—C3N4的體模量超過了金剛石候引。因此，氮化碳有可能具有達到或超過金剛石的硬度敦跌。

　　合成氮化碳的成功澄干，是分子工程學十分杰出的范例。作為超硬材料的氮化碳柠傍，預期還有其它許多寶貴的物理化學性質(zhì)麸俘，研究氯化碳成為世界材料科學領(lǐng)域的熱門課題。合成氮化碳的主要方法有直流和射頻反應(yīng)濺射法惧笛、激光蒸發(fā)和離子束輔助沉積法从媚、ECR—CVD法、雙離子束沉積法等患整。日本岡山大學采用電子束蒸發(fā)離子束輔助沉積法獲得的氮化碳薄膜拜效，達到目前氮化碳的最高顯微硬度：63.8GPa。我國清華大學也獲得60.8GPa的高硬度氮化碳各谚。武漢大學合成的氮化碳硬度達到50.OGPa紧憾，并沉積到高速鋼麻花鉆上，獲得非常好的鉆孔性能甥鼠。制備氮化碳超硬涂層的關(guān)鍵技術(shù)是避免石墨相的析出块生。

　　3．怎樣提高涂層刀具的使用效果

　　刀具材料的選用決定于切削條件，也決定于哪個面將被重磨惑妥。例如值舌，如果刀具的前刀面被重磨，使用含鉆的高速鋼會更有利示荠，因為在刀具前刀面無涂層之后’漓蜗，這種鋼更耐月牙洼磨損。刀具材料的進步节立，出現(xiàn)了高速鋼螃恕、硬質(zhì)合金、各種增韌陶瓷患并、銑基金屬陶瓷膳几、聚品金剛石和c—BN等材質(zhì)刀具的使用，大大提高了金屬切削的加工效率。每種材料的刀具有各自的優(yōu)缺點启疙，因而有特定的用途躁绸。

　　涂層刀具對刀具幾何形狀提出了新的要求。一般認為臣嚣，刀具幾何形狀的改進净刮，如前角、排屑空間等硅则，應(yīng)集中在排屑能力上淹父，以適應(yīng)在更高的進給量和更高的速度下切削量的增加。涂層刀具有較高的加工效率怎虫，它允許有較高的進給量和切削速度(可增至原切削速度的2-3倍)暑认。對于難加工材料，涂層對刀具性能改善較大大审。

　　具有超硬涂層的刀具之所以磨損量小蘸际，是由于膜層超硬化合物的硬度高、熔點高饥努、熱化學穩(wěn)定性優(yōu)良所致捡鱼。超硬化合物多為過渡金屬的氮化物、碳化物和硼化物所組成酷愧。它們以強大的共價鍵結(jié)合，具有很低的標準生成自由能撼烹，構(gòu)成了十分穩(wěn)定的體系濒垫，在高溫下硬度也不顯著降低。這些膜層較之硬質(zhì)合金和高速鋼等刀具材料顯示出更高的耐機械磨損和耐熱磨損等方面的能力远燕。

　　鍍膜條件久泞、工藝參數(shù)、鍍前基體預處理等對于優(yōu)質(zhì)涂層的制取是非常重要的奖放。刀具表面的狀態(tài)對涂層的附著力至關(guān)重要淡藻，被鍍工件表面必須沒有其它膜層、燒斑砚粒、銹斑缔沐、油污或其它沾污。工件要經(jīng)過嚴格的噴砂和去油清洗益柳，在真空中生長硬質(zhì)膜前還要進行離子轟擊清洗尊陪。

　　不同涂層材料的刀具，使用效果是不一樣的捕谢。低速切削段物，TiC涂層占有優(yōu)勢；高速切削，TiN較合適驰坊；HfN的熱化學穩(wěn)定性比TiN更高匾二，適合于在更高的切削速度下工作。TiN和A1203涂層相比拳芙，高速切削時A1203涂層占有明顯優(yōu)勢察藐，而低速切削時TiN涂層刀具的使用壽命更長。

　　刀具壽命與膜厚也有一定的關(guān)系态鳖。若以后刀面磨損為基準转培，隨膜厚增加刀具壽命也會增加，但膜厚為5μm時達到飽和浆竭，即壽命不再明顯增加浸须；但如果以前刀面月牙洼深度為刀具壽命的基準，刀具壽命與膜厚成正比邦泄，未發(fā)現(xiàn)飽和現(xiàn)象删窒。膜層太厚時易引起剝離，現(xiàn)在車刀的涂層厚度多為5μm-10μm顺囊。

　　對于銑刀的硬質(zhì)涂層很撩，膜厚的影響卻不相同。對鋼制工件進行銑削加工時端辛，無論采用哪種膜層咨只，膜厚大約2μm時刀具壽命最長，膜厚再增加時壽命反而下降希没。但是對沖擊作用較小的鑄鐵等進行加工時械拉，最佳膜厚向更厚的方向變化。在銑削中腿伟，TiC涂層具有最好的效果鸿铐，而Al2O3涂層卻顯示不出在車削加工中的優(yōu)勢。

　　硬質(zhì)合金刀具通常采用CVD法鍍膜芬过，但PVD鍍膜處理幾乎不造成刃口強度下降胞仅，PVD鍍層硬質(zhì)合金銑刀比CVD鍍層更耐用。對于一般高速鋼刀具的耐磨損性能佣今，CVD涂層要優(yōu)于PVD涂層唁映，但精密的、形狀復雜但惶、價格昂貴耳鸯、不可重磨的高速鋼刀具多為PVD鍍膜。

　　要提高涂層刀具的使用效果膀曾、充分發(fā)揮硬質(zhì)涂層的作用是一相當復雜的技術(shù)县爬。為了達到優(yōu)化組合阳啥，建立涂層刀具數(shù)據(jù)庫，對不同的工件财喳，通過計算機來選擇刀具涂層材料和加工參數(shù)察迟，情況就變得簡單而有效，從而真正達到優(yōu)質(zhì)耳高、高效扎瓶、低成本的加工目標。

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