1 引言

　　作為基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的制造業(yè)正在發(fā)生著革命性的變化蚪缀，制造技術(shù)也已產(chǎn)生了質(zhì)的變化疹启。尤其是近幾年高速切削加工技術(shù)的應(yīng)用，在大幅度提高生產(chǎn)效率的同時也極大地提高了產(chǎn)品的質(zhì)量煎殷，可以認(rèn)為高速切削加工技術(shù)已成為切削制造業(yè)的主流屯伞。

　　高速切削加工技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用同時帶動了相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展。高速切削顧名思義，是高的速度劣摇、大的進(jìn)給量珠移、機(jī)床的快速移動、快速換刀等末融，最終體現(xiàn)為生產(chǎn)效率的大幅度提高钧惧。但是應(yīng)該指出的是高速切削只是一個相對的概念，隨著加工方式粮郁、工件材料以及刀具選擇的變化叮歧，高速切削加工的速度存在很大變動范圍。一般認(rèn)為高速加工的切削速度為常規(guī)切削速度的5～10倍学咸，如加工碳素鋼切削速度為500～2000m/min菌秘；鑄鐵為600～3000m/min；鋁合金為1000～7000m/min骤顿；銅為900～5000m/min及奋。

　　高速切削刀具技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高速加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，而刀具材料的高溫性能是影響高速切削刀具技術(shù)發(fā)展的重中之重海黍。由于在高速切削加工中所產(chǎn)生的切削熱對刀具的磨損比常規(guī)切削高得多婶祥，因此對刀具材料有更高的要求：高硬度、高強(qiáng)度和耐磨性刺泌；高的韌性和抗沖擊能力；高的紅硬性和化學(xué)穩(wěn)定性泰啼；抗熱沖擊能力男枝。

　　刀具表面涂層技術(shù)是應(yīng)市場需求而發(fā)展起來的一種表面改性技術(shù)，自上世紀(jì)60年代出現(xiàn)以來分衫，該項(xiàng)技術(shù)在金屬切削刀具制造業(yè)內(nèi)得到了極為廣泛的應(yīng)用场刑。尤其是高速切削加工技術(shù)出現(xiàn)之后，涂層技術(shù)更是得到了迅猛的發(fā)展與應(yīng)用蚪战，并成為高速切削刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)之一牵现。該項(xiàng)技術(shù)通過化學(xué)或物理的方法在刀具表面形成某種薄膜，使切削刀具獲得優(yōu)良的綜合切削性能邀桑，從而滿足高速切削加工的要求瞎疼。歸納起來切削刀具表面涂層技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

　　采用涂層技術(shù)可在不降低刀具強(qiáng)度的條件下，大幅度地提高刀具表面硬度壁畸，目前所能達(dá)到的硬度已接近100GPa贼急；

　　隨著涂層技術(shù)的飛速發(fā)展，薄膜的化學(xué)穩(wěn)定性及高溫抗氧化性更加突出捏萍，從而使高速切削加工成為可能太抓；

　　潤滑薄膜具有良好的固相潤滑性能，可有效地改善加工質(zhì)量，也適合于干式切削加工走敌；

　　涂層技術(shù)作為刀具制造的最終工序碴倾，對刀具精度幾乎沒有影響，并可進(jìn)行重復(fù)涂層工藝蛙饮。

　　涂層切削刀具所帶來的益處：可大幅度提高切削刀具壽命即粗；有效地提高切削加工效率；明顯提高被加工工件的表面質(zhì)量杭喊；有效地減少刀具材料的消耗庵臼，降低加工成本；減少冷卻液的使用烤恃，降低成本揽邀，利于環(huán)境保護(hù)。

　　2 刀具涂層的分類

　　眾所周知肴奠，傳統(tǒng)刀具涂層技術(shù)主要可分為兩大類辙势，但由于市場需求的變化及涂層技術(shù)本身的特性，物理涂層技術(shù)的發(fā)展受到了更大的關(guān)注乡优。PVD技術(shù)在得到飛躍性發(fā)展的同時羞媳，其應(yīng)用市場也得到了廣泛的拓展。與最初發(fā)展相比秫辨，不僅涂層成分種類繁多扼菠，近幾年來在涂層結(jié)構(gòu)上更是有了突破性的發(fā)展，并已為市場所接受坝咐。隨著PVD技術(shù)在市場中愈來愈廣泛的應(yīng)用循榆，認(rèn)識了解各類涂層的特性及適用領(lǐng)域愈加顯得重要。因此本文擬對當(dāng)前PVD涂層進(jìn)行分類墨坚，并分析各類薄膜所適用領(lǐng)域秧饮，目的是讓使用者對各類涂層有一個較系統(tǒng)的了解，更加合理地使用涂層刀具泽篮。

　　從PVD技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用角度盗尸，筆者認(rèn)為PVD涂層可按2種方法進(jìn)行分類。

　　按涂層成分分類

　　按涂層結(jié)構(gòu)分類

　　按涂層成分對涂層進(jìn)行分類簡潔帽撑、明了泼各，基于對材料性能的認(rèn)識，使用者容易了解涂層的功能亏拉，易為市場所接受历恐，因此目前各涂層企業(yè)更多的是以不同的涂層成分向用戶介紹、推薦其技術(shù)及產(chǎn)品专筷。按成分對涂層區(qū)分通橙踉簦可分為兩大類兰捣，即硬涂層和軟涂層。硬涂層以TiN卓胶、TiCN赞亡、TiAlN等為代表，包括了單層薄膜和復(fù)合薄膜鄙划，隨著市場需求的變化及涂層技術(shù)的發(fā)展生纫，新的涂層成分不斷被開發(fā)出來，到目前為止所應(yīng)用的硬涂層成分已有幾十種之多药锯；軟涂層顧名思義薄膜的硬度相對較低都陵，通常為1000HV左右。軟涂層目前種類并不多怒随，以MoS2造轴、碳基薄膜為主，在切削加工領(lǐng)域內(nèi)彰你，其目的是通過在硬涂層表面覆蓋一層這種薄膜胀邀，試圖增加涂層表面的潤滑性，改善被加工工件表面質(zhì)量柿菩，以滿足某些應(yīng)用領(lǐng)域的需要戚嗅。

　　盡管按成分進(jìn)行涂層分類具有良好的市場基礎(chǔ)，但從PVD技術(shù)的發(fā)展來看枢舶，涂層的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化已越來越多地影響著涂層刀具的應(yīng)用效果懦胞。相同的涂層成分、不同的結(jié)構(gòu)形式凉泄，可以導(dǎo)致涂層刀具使用效果的截然不同躏尉。因此認(rèn)識了解目前PVD涂層薄膜的結(jié)構(gòu)形式，對于該項(xiàng)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用有著十分重要的意義旧困。就目前PVD技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r醇份，涂層薄膜結(jié)構(gòu)大體可分類如下：

　　單一層涂層

　　涂層由某一種化合物或固溶體薄膜構(gòu)成稼锅，理論上講在薄膜的縱向生長方向上涂層成分是恒定的吼具，這種結(jié)構(gòu)的涂層可稱之為普通涂層。如果聯(lián)系到PVD的發(fā)展歷程矩距，實(shí)際上在過去相當(dāng)長的時期內(nèi)一直采用這種技術(shù)拗盒，其中包含眾所周知TiN、TiCN锥债、TiAlN 等陡蝇。隨著應(yīng)用市場要求的不斷提高，人們也愈加認(rèn)識到這種涂層的局限性钧鸥，無論是顯微硬度面塌、高溫性能烦猾、薄膜韌性等都難于大幅度提高，但這種涂層在市場中仍占有一定比例嘱疑。

　　復(fù)合涂層

　　由多種不同功能(特性)薄膜組成的結(jié)構(gòu)可以稱之為復(fù)合涂層結(jié)構(gòu)膜卤舆，其典型涂層為目前的硬涂層+ 軟涂層，每層薄膜各具不同的特征仁灶，從而使涂層更具良好的綜合性能挥肤。圖1所示為CrN+CBC復(fù)合涂層，其中CBC為碳基薄膜豪杉。

　　梯度涂層

　　涂層成分沿薄膜縱向生長方向逐步發(fā)生變化理秃，這種變化可以是化合物各元素比例的變化，如TiAl-CN中Ti豆玖、Al含量的變化柴伪，也可以由一種化合物逐漸過渡到另一種化合物，如由CrN 逐漸過渡到CBC骤视“鞍可以預(yù)見這種結(jié)構(gòu)能有效降低因成分突變而造成的內(nèi)部微觀應(yīng)力的增加。圖2所示為TiAlCN梯度薄膜专酗。

　　多層涂層

　　多層涂層由多種性能各異的薄膜疊加而成睹逃，每層膜化學(xué)組分基本恒定。目前在實(shí)際應(yīng)用中多由2種不同薄膜組成祷肯，由于所采用的工藝存在差異沉填，不同企業(yè)的多層涂層刀具，其各膜層的尺寸也不近相同佑笋，通常由十幾層薄膜組成翼闹，每層薄膜尺寸大于幾十納米，最具代表性的有AlN+TiN蒋纬、TiAlN+TiN涂層等猎荠。與單層涂層相比，多層涂層可有效地改善涂層組織狀況蜀备，抑制粗大晶粒組織的生長关摇。

　　納米多層涂層

　　這種結(jié)構(gòu)的涂層與多層涂層類似，只是各層薄膜的尺寸為納米數(shù)量級晾晕，又可稱為超顯微結(jié)構(gòu)何屏。理論研究證實(shí)在納米調(diào)制周期內(nèi)(幾納米至幾十納米)，與傳統(tǒng)的單層膜或普通多層膜相比窃等，此類薄膜具有超硬度甫危、超模量效應(yīng)，其顯微硬度超過40GPa 是可以預(yù)期的淀准，并且在相當(dāng)高的溫度下售荆，薄膜仍可保留非常高的硬度鼎派。因此這類膜具有良好的市場應(yīng)用前景，其典型代表為AlN+TiN俭柒、AlN+TiN+CrN涂層等幻役。

　　納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層

　　納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層。以(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)納米復(fù)合相結(jié)構(gòu)薄膜為例塞秤，在強(qiáng)等離子體作用下伦秀，納米TiAlN 晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，當(dāng)TiAlN晶體尺寸小于10nm 時癌炒，位錯增殖源難于啟動泞当，而非晶態(tài)相又可阻止晶體位錯的遷移，即使在較高的應(yīng)力下民珍，位錯也不能穿越非晶態(tài)晶界襟士。這種結(jié)構(gòu)薄膜的硬度可以達(dá)到50GPa 以上，并可保持相當(dāng)優(yōu)異的韌性嚷量，且當(dāng)溫度達(dá)到900℃～1100℃時陋桂，其顯微硬度仍可保持在30GPa 以上；此外這種薄膜同時可獲得優(yōu)異的表面質(zhì)量蝶溶，因此工業(yè)應(yīng)用前景廣闊嗜历。

　　3 涂層的應(yīng)用

　　隨著PVD技術(shù)的迅速發(fā)展，在實(shí)際應(yīng)用中涂層的合理選擇愈加顯得重要抖所。目前涂層薄膜不僅要解決硬度問題梨州，其韌性、抗氧化性田轧、表面粗糙度及潤滑性等都需要根據(jù)不同的切削條件進(jìn)行綜合考慮暴匠。從實(shí)際的切削加工狀況來看，僅憑涂層成分進(jìn)行選擇傻粘，在實(shí)際應(yīng)用中已難以獲取最佳經(jīng)濟(jì)效益每窖。本文依據(jù)上述兩種涂層分類，淺析實(shí)際切削加工中PVD涂層薄膜的選用迹遏。

　　車削加工的特點(diǎn)是連續(xù)菊蹬、穩(wěn)定、切削力及切削溫度變化小晴顷，相對而言切削溫度較高排憨，因此在選擇涂層類別時队装，涂層的硬度和高溫抗氧化性是重點(diǎn)考慮因素狮善。

　　加工鋼材時可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)及AlTiN薄膜，這兩種薄膜都具有極高的表面硬度烟焊，且紅硬性良好换募，使用溫度可達(dá)到1100℃潘羡。

　　鑄鐵加工通常也可選擇上述2種薄膜。

　　鋁及鋁合金加工的特點(diǎn)是熔點(diǎn)低洲稽，在切削加工中極易形成積屑瘤坎隶，且氧化了的切屑可形成Al2O3，導(dǎo)致摩擦作用的增強(qiáng)蚂朽。當(dāng)硅含量在4%～13%之間時刮吧，硅在鋁內(nèi)形成固溶體＋共晶體組織，這種脆性掖蛤、針狀的片狀硅的夾雜杀捻，在切削過程中，具有磨料作用蚓庭，導(dǎo)致刀具早期失效致讥；而當(dāng)Si含量進(jìn)一步提高時粗大的組織使切削性能進(jìn)一步下降。如果采用干式切削器赞，可加劇這種磨損的發(fā)展垢袱，加工這類有色金屬金剛石涂層刀具是最佳的選擇方案之一，但考慮到可行性及經(jīng)濟(jì)性港柜，對于PVD而言请契，涂層應(yīng)具有高的硬度及優(yōu)異的潤滑性。當(dāng)Si 含量小于12%時夏醉，可選擇多層TiCN+MoS2復(fù)合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜姚糊；而當(dāng)Si含量大于12%時，則可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)或單層的TiCN 薄膜授舟。

　　高強(qiáng)度合金的加工具有變形大婆跋、加工硬化大、切削溫度高的特點(diǎn)络灾，此外由于該類合金中含有大量的碳化物簇精、氮化物等，其顯微硬度可達(dá)2000 ～3000HV蜕芭。在選擇用于此類涂層時载秀，其顯微硬度、高溫性能乳的、潤滑性是應(yīng)著重考慮的因素泥贷。通常可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)或TiAl-CN+CBC 復(fù)合薄膜硼环。

　　對于銅及其合金而言洼眶，涂層極具針對性，而與加工方式關(guān)聯(lián)性較低狰宗。紫銅塑性白庙、韌性大消院，易粘屑，因此需要有效地解決排屑問題搬设，一般選用CrN膜穴店；而對于銅合金(黃銅、青銅)拿穴，由于材料強(qiáng)度的提高泣洞，通常采用單層TiCN 或多層TiCN 薄膜。

　　塑膠材料的加工特性是導(dǎo)熱性差默色、磨料性斜棚、回彈性等，且大多采用干式切削加工方式该窗，因此薄膜的顯微硬度及熱絕緣性是重點(diǎn)考慮的因素弟蚀，除了CVD 的金剛石薄膜外，也可選用多層TiCN薄膜酗失。

　　鉆削加工也屬于連續(xù)加工切削方式义钉，其涂層種類的選擇基本與車削加工類似。但所需注意的是通孔加工存在載荷的突變规肴，因此所選擇薄膜應(yīng)具有良好的韌性捶闸。如在普通鋼材的加工中，可選用多層膜塞姻；若在一般的切削條件下蚌长，單層的TiN薄膜也會獲得良好的應(yīng)用效果。

　　在高速加工領(lǐng)域尺澜，銑削加工占有極其重要的地位绵顷，而PVD技術(shù)的發(fā)展也從整體銑刀的涂層擴(kuò)展到可轉(zhuǎn)位刀片范圍，并且已取得了突破性的進(jìn)展厅肩。銑削加工是一種斷續(xù)加工方式螺蜻，尤其在高速加工條件下，刀具受載狀態(tài)極其復(fù)雜禽制，刀具因不斷受到大小剪酵、位置不同的機(jī)械沖擊和熱沖擊載荷作用，可引發(fā)薄膜的破裂膜却、脫落等現(xiàn)象的發(fā)生药呜，從而導(dǎo)致刀具的早期失效。

　　加工普通鋼材時可選用TiCN攘默、納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)访僚、AlCrN薄膜，這三種薄膜都具有較好的韌性。

　　與普通鋼材相比引润，鑄鐵的銑削加工通常導(dǎo)致刀具磨料磨損，涂層刀具的表面硬度更為重要痒玩，因此可選擇納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)淳附、AlTiN、AlCrN薄膜蠢古。

　　對于鋁及鋁合金的加工奴曙，當(dāng)Si 含量小于12%時，可選擇多層TiCN+MoS2復(fù)合薄膜及TiAlCN+CBC梯度薄膜草讶；而當(dāng)Si含量大于12% 時洽糟，則可選用納米復(fù)合結(jié)構(gòu)薄膜(nc-Ti1-xAlxN)(/a-Si3N4)及多層TiCN 薄膜。

　　高強(qiáng)度合金的銑削加工通扯檎剑可選用多層TiCN+MoS2坤溃、梯度TiAlCN+CBC、AlCrN 薄膜嘱丢。

　　螺紋加工也一種連續(xù)切削方式薪介，相對于普通車削加工，這種加工屬于成型加工模式腔益，切削速度相對較低草教，不易斷屑，且對刀具的幾何尺寸有嚴(yán)格要求舰打，刀具刃口微小的缺陷也可導(dǎo)致工件的報廢经禽。因此薄膜的致密性、韌性以及表面的潤滑性是首要考慮的因素凫荡。

　　加工普通鋼和高強(qiáng)度合金時可選用TiCN+MoS2復(fù)合薄膜可剪、TiAlCN+CBC梯度薄膜及TiAlN納米多層薄膜，這三種薄膜都具有良好的韌性及優(yōu)異的潤滑性功抠。

　　與普通鋼材相比弄袜，鑄鐵的螺紋加工通常以磨料磨損為主，薄膜的致密性汛滩、韌性女溺、硬度同等重要，因此澈恚可選擇TiAlCN 及TiCN 多層薄膜敛竭。
對于鋁及鋁合金的加工，當(dāng)Si含量小于12%時阁最，可選擇CrN+CBC及TiCN多層薄膜戒祠；而當(dāng)Si含量大于12%時，則可選擇TiAlCN+CBC 及TiCN多層薄膜。 

　　4 結(jié)語

　　近年來刀具表面涂層技術(shù)發(fā)展的特點(diǎn)是迅速及多元化姜盈。經(jīng)過幾年的歷程低千，TiN涂層一統(tǒng)天下的情況已不復(fù)存在，尤其在硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用領(lǐng)域馏颂，TiAlN涂層的比例已超過TiN示血，而其它種類涂層也有增加趨勢。顯然薄膜技術(shù)的發(fā)展不斷地為切削加工提供更有效救拉、更經(jīng)濟(jì)的手段难审，隨著該項(xiàng)技術(shù)的飛速發(fā)展，各類超顯微結(jié)構(gòu)亿絮、超硬度告喊、特殊功能薄膜的出現(xiàn)必將促進(jìn)切削加工方案的進(jìn)一步優(yōu)化。對于使用者而言派昧，充分了解各類涂層及其所適用的應(yīng)用范圍愈加顯得重要惯慎。由于篇幅所限，本文僅針對各類涂層所適合的加工方式及材料進(jìn)行了論述酬苇，而實(shí)際應(yīng)用中特殊材料(如硬度達(dá)到50HRC以上)庭训、切削速度、冷卻方式等條件的不同疯食，對涂層刀具的選用也都會產(chǎn)生重要的影響恰日。

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