涂层刀具的种类与性能特点

经过多年的发展，刀具涂层技术呈现多样化和系列化特点，刀具涂层可从不同角度进行分类。

1)根据涂层材料的性质不同分。刀具涂层可分为“硬”涂层、“超硬”涂层和“软”涂层等类型，并可进行不同组合，如硬/硬组合、硬/软组合、软/软组合、具有润滑性能的软/软组合等。硬质膜为传统概念的单层膜、复合膜、多层膜等，如普遍采用的 TiN、TiC、TiAlN等，其显微硬度通常为20~40GPa;润滑膜的显微硬度为10GPa左右，而超硬膜则定义为显微硬度大于40GPa。

2)根据涂层工艺方法不同分。可分为化学气相沉积 CVD与物理气相沉积 PVD 涂层。

3)根据涂层刀具基体材料不同分。有硬质合金基体涂层、高速工具钢基体涂层金属陶瓷基体涂层、陶瓷基体涂层等。

4)按涂层结构不同分。有单涂层、多涂层(带中间过渡层)、纳米涂层(纳米结品、纳米沉厚、纳米结构涂层)、梯度涂层、超硬涂层、硬/软复合涂层等。

5)按涂层的硬质材料成分不同分。有TiC、TiN、TiAlCN、Al₂O₃、AlCrN、TiCN、AlTiN、TiSiN、CrSiN、TiBN、类金刚石碳涂层(DLC)、非金属化合物超硬涂层(金刚石薄膜涂层、CBN、C₃N₄、Si₃N₄、B₄C、SiC)等及各种成分的组合多层涂层。

刀具涂层有软、硬之分，硬质涂层是指以追求高的硬度和耐磨性为目标的涂层，其特点是硬度高、耐磨性好。硬质涂层能够较好地满足切削加工过程中高温、大切削力和摩擦磨损严重的需要。软质涂层是针对不适合或不需硬质涂层的加工而设计的，旨在通过刀具表面涂镀一层润滑性能较好的固态物质(主要为硫族化合物)使刀具表面具有较好的润滑功能。

(1)硬质涂层材料与涂层方法 下表所示为金属切削加工刀具常用的硬质涂层材料及涂层方法。

(2)软质涂层材料硬质涂层是早期涂层技术研究追求的主要目标，然而，并非所有材料都适于采用硬涂层刀具加工，如航空航天工业使用的许多高强度铝合金、钛合金或贵金属材料等都不适合用硬质涂层刀具加工，刀具软涂层的开发则可较好地解决此类材料的加工问题。刀具软涂层的主要成分为硫族化合物，如MoS₂、WS₂、TaS₂等。

(3)刀具涂层材料的种类与性能刀具硬质涂层材料主要是一些具有高硬度的耐磨化合物，其具有以下特点:

1)高的室温和高温硬度。

2)良好的化学稳定性与基体材料粘接牢固。

3)拥有渗透性，无气孔。

4)良好的工艺性和低的成本。

常用的硬质涂层材料有碳化物、氮化物、氧化物、硼化物、碳氮化物等。近年来还发展了聚品金刚石和立方氮化硼涂层。

(4)金属切削刀具常用涂层简介虽然涂层的种类较多，但切削加工刀具的涂层主要集中在以下几种。

TiC是一种高硬度的耐磨化合物，是最早出现的涂层物质，也是目前应用最多的一种涂层材料之一，有良好的抗后刀面磨损和抗月牙洼磨损能力。同时由于它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜。TiC的硬度比TiN高，抗磨损性能好，对于产生剧烈磨损的材料，用TiC涂层较好。TiN涂层是继TiC涂层以后采用非常广泛的一种涂层，是TiC涂层的激烈竞争者TiN的硬度稍低，但它与金属的亲和力小，润湿性能好，在空气中抗氧化能力比TiC好，在容易产生粘接时TiN涂层较好。目前，工业发达国家TiN涂层高速工具钢刀具的使用率已占高速工具钢刀具的50%~70%，有的不可重磨的复杂刀具的使用率已超过90%。TiN涂层的抗氧化性较差，使用温度达500℃，涂层就出现明显氧化而被烧蚀。

Al₂O₃涂层具有良好的热和化学稳定性和高的抗氧化性，因此，在高温的场合下以 Al₂O₃涂层为好。Al₂O₃涂层在高温下能保持良好的化学稳定性和热稳定性，但由于氧化铝与基体材料的物理化学性能相差太大，单一氧化铝涂层无法制成理想的涂层刀具。

TiCN和TiAlN属于复合化合涂层材料，他们的出现使涂层刀具的性能上了一个台阶。TiCN是在单一的TiC中，氮原子占据原来碳原子在点阵中的位置而形成的复合化合物，具有TiC和TiN的综合性能，其硬度(特别是高温硬度)高于TiC和TiN，将TiCN 设置为涂层刀具的主耐磨层，可显著提高刀具的寿命。因此，TiCN是一种较为理想的刀具涂层材料。TiAlN是TiN和Al₂O₃的复合化合物，其即具有TiN的硬度和耐磨性，同时在切削过程中氧化生成Al₂O_3，形成一层硬质性保护膜，起到抗氧化和耐扩散磨损的作用。加工高速工具钢、不锈钢、钛合金、镍合金时比 TiN 涂层刀具寿命提高3~4倍，高速切削时，切削效果明显优于TiN和TiC涂层刀具。TiAlN涂层刀具特别适合于加工耐磨材料，如灰铸铁、硅铝合金等。

(5)涂层方式与涂层厚度 最早出现的涂层方式是单涂层，近年来更多的涂层方式得到了发展，包括多涂层、梯度涂层、软/硬复合涂层、纳米涂层和超硬薄膜涂层等其能得到更好的综合性能。涂层厚度一般为5~6μm，涂层太薄，则耐磨性能差，不能有效地保护基体;涂层太厚，则材料强度降低。对于涂层刀片，涂层度增加，涂层刀片的硬度增加，刀片的耐磨性能也相应增加。但在某一涂层厚度以后，由于刀片的韧性下降，因此，从刀片的寿命出发，应有一适宜的涂层厚度。