高速钢刀具涂层材料的发展与应用1、高速钢刀具涂层材料及其特性随着切削加工不断向高速、高精度的方向发展，对于使用量大面广的高速钢刀具，如何改善切削性能、提高加工效率、延长使用寿命，一直是人们关注的问题。

TiN薄膜具有高硬度、高耐磨性和高耐腐蚀性的特点，是一种理想的刀具涂层。

采用磁控溅射离子镀法(MsP)涂覆TiN薄膜具有速度快、基体温升小、镀膜质量高和便于大规模生产等优点，但同时也存在工艺控制难度较大的缺点u J。

高速钢刀具涂层是通过物理或化学气相沉积等技术，在刀具表丽涂覆一层或多层具有特殊要求(如耐磨、耐热)的难熔金属化合物(硬涂层，如Ti—N，Ti—C，Ti—A1一N等)或非金属化合物(软涂层，如MoS。

，WS。

，纯石墨等)，从而提高刀具的综合性能和使用寿命。

因为难熔金属化合物具有硬度高、耐磨和耐热等特点，所以硬涂层在切削过程中就犹如是在高速钢刀具与切屑之间增加了一道耐瘗、耐热的屏障，大大提高了高速钢刀具的耐磨性能和耐高温性能【1】。

硬涂层材料按化学特性分为三组：金属键、共价键和离子键。

具有共价键和离子键结构的硬涂层材料具有硬度高、耐磨性好、表面自由能低、化学惰性大、高温稳定性好以及与工件材料的亲和性小等特性，是理想的刀具涂层材料【2】。

但由于具有共价键和离子键结构的硬涂层材料，有的与高速钢的性能差异较大、附着性差、脆性大、韧性差且涂层易开裂和剥落，起不到对刀具表面的保护作用；而具有金属键结构的过渡金属氮化物、碳化物和硼化物，其综合性能较好，且与金属的结合及层问匹配性良好，因而在高速钢刀具的硬涂层材料中占有重要的地位。

2、采用磁控溅射离子镀方法对高速钢进行TiN镀膜试验研究试验用基体材料采用高速钢w18c14V，试样尺寸为≯10×10mm，共15块。

所有试样表面用砂轮和粗、细砂纸打磨抛光呈镜面状，然后分别在清洗液、丙酮和酒精中用超声波清洗各30分钟，烘干后放人干燥箱干燥。

将试样分为5组，每组3块，其中一组作为对照组(原样)，另外4组在西南核物理研究所研制的磁控溅射离子镀膜机上进行镀膜，具体工艺为：试样在镀膜室内用心离子溅射清洗5IIlin后开始沉积TiN，沉积温度500℃，靶室真空度为3．2×10。

1Pa，镀膜工艺参数见表1【3】。

表l磁控溅射离子镀镀膜工艺参数完成磁控溅射离子镀后，对镀膜的4组试样和未镀膜的原样进行了x射线衍射分析、膜层厚度测量、显微硬度测定和摩擦磨损试验，以检测各项性能指标，制定最佳工艺方案。

通过实验结果与分析得出：研究表明，对高速钢w18c14V采用磁控溅射离子镀进行了TiN镀膜试验。

研究结果表明，TiN涂层可以有效改善高速钢的硬度和耐磨性，延长高速钢刀具使用寿命。

溅射时间是影响膜层厚度的主要因素，随着时间增加，膜厚、硬度和耐磨性均增大。

氮分压控制膜的相组成，随着氮分压增大，膜厚和耐磨性均增大，而硬度呈先上升后下降的变化。

溅射电流是沉积速率的主要影响因素，随着溅射电流的增大，膜厚增大，而硬度和耐磨性降低。

在本试验中，综合比较各项性能，4试样的膜厚最符合要求，硬度和耐磨性的综合性能最好。

可以预计，随着磁控溅射离子镀技术的发展和应用领域的开拓，磁控溅射离子镀技术在材料表面改性方面将会有更大的发展空间【4】。

3、氮化钛涂层对高速钢刀具研究及其应用国内加工工业新的腾飞时期的到来为刀具市场开发带来了新的发展契机。

随着近代工业与科学技术的发展，切削刀具材料从碳素工具钢、高速钢、硬质合金到复合材料，有了很大的进步。

然而目前所使用的各类刀具普遍存在着使用寿命短而影响生产效率的问题，其中大多因为表面硬度和耐磨性不够高所致。

因此，应用表面强化工艺技术是改善刀具使用寿命，提高切削加工效益的一条极其有效的途径。

在众多的表面强化工艺技术中，氮化钛(TiN)涂层是一种独特的表面强化工艺。

目前，国外发达国家的高速钢刀具有70％以上利用了这一技术。

材料一般用TiC／TiCN／TiN和TiC／A1201／TiN等。

近年发展了形式多样、不同组合的多层涂层。

在cIMT2007上，调查和统计了瑞典、日本、美国、韩国、以色列和中国各公司的CVD涂层硬质合金刀片产品，涂层材料有以下不同的组合：TiCN／A1203，TiCN／TiC／TiN， TiCN／TiC／A1203，TiCN／A1203／TiN，TiCN ／TiC／A120，／TiN，TiCN／A120，／TiCN／TiN，TiC／TiCN／TiN和Tin／TiCN ／TiN等。

用TiCN或TiN作底层，是因为基体材料有了改变，可能采用了梯度的成分结构。

用CVD工艺还可以在硬质合金上涂覆金刚石薄膜(10址m以下)，用以加工有色金属和非金属材料。

常用的工艺有“热丝CVD法”、“等离子喷射CVD法”和火焰燃烧法”等【5】。

用相同用相同方法还可以制成金刚石厚膜，进一步做成刀具使用。

a、应用实例：华源拖拉机厂齿轮分厂是生产拖拉机齿轮、花键轴的专业生产厂高速钢齿轮刀具用量大，耗资费用高。

为延长刀具使用寿命，提高齿轮刀具寿命，为此引进了氮化钛涂层技术，并进行了切削试验。

实验对象，公司主导产品泰山一15型拖拉机变速箱减速大齿轮及半轴壳体总成中的左、右半轴。

选择实验对象的原因是这两种零件生产批量大，耗用刀具多，材料不同。

其中，减速大齿轮用20CrMnTi，正火后加工；左、右半轴用40Cr，调质后加工。

实验条件，实验是涂层刀具和非涂层刀具在相同条件下进行切削，即相同机床、相同加工对象、相同切削参数。

试验结果，见表2和表3。

表2减速大齿轮试验结果表3左、右半轴试验结果实验结论：初步实验，使用同一机床，同一切削参数，使用氮化钛涂层滚刀比不涂层滚刀提高刀具寿命125％，经一次重磨后提高100％。

使用同一机床，同一切削参数，使用氮化钛涂层滚刀比不涂层滚刀提高刀具寿命42％，经一次重磨后提高33％【6】。

通过分厂的试验，我们取得了一些成果和收获：(1)氮化钛涂层刀具，应用范围较广，特别适合于形状较为复杂的高速钢制作的齿轮加工刀具及铣刀、钻头、丝锥等。

目前，齿轮分厂主要应用涂层的刀具有：齿轮滚刀、插齿刀、花键滚刀、键槽铣刀、钻头、滚丝刀和剃齿刀。

螺旋锥齿轮铣刀头涂层的准备工作正在进行中。

(2)氮化钛涂层刃具目前主要用于加工分厂承担的泰山系列拖拉机及TY系列拖拉机变速箱齿轮，左、右半轴，二、三、四轴的制齿加工；z卜50装载机变速箱齿轮，z卜50驱动桥齿轮的加工，合计近百种零部件。

另外，青岛第二齿轮厂部分泰山系列拖拉机齿轮也采用了齿轮分厂涂层氮化钛刀具，效果反映良好。

(3)我厂现使用氮化钛涂层刀具的各类设备合计45台，按年产各种拖拉机5万台计，采用氮化钛刀具后，全年共节约刀具费用5．1万元左右。

4、TiAlN涂层高速钢刀具的制备及钻削性能研究物理气相沉积(PVD)技术制备的TiN涂层具有高硬度、高耐磨性和低摩擦系数等特性，在工业生产中已获得了广泛的应用，但其与基体的结合力较弱、脆性大、易剥落，特别是在耐高温性能方面存在的缺陷，限制了它的进一步发展…。

在TiN涂层中引入Al，得到的TiAlN涂层在硬度、耐磨性、高温氧化性及与基体之间的结合强度等方面表现出比TiN涂层更优异的性能，因此在高速钢及硬质合金刀具和耐磨零部件等方面有广泛的应用【7】。

众所周知，在高速钢上沉积与其硬度、弹性模量及热膨胀系数差异较大的硬质陶瓷涂层将会很难保证涂层与基体之间的结合强度。

此外，在形状复杂的高速钢麻花钻沉积均匀的硬质涂层更为困难lz剖。

文中采用集电子枪等离子增强、非平衡磁控溅射和多弧离子镀三种技术于一体的物理气相沉积(PVD)设备，结合三轴样品转动台，在几何形状较为复杂的高速钢麻花钻上尝试沉积均匀的具有过渡层结构的TiAlN涂层，并在干态环境下，将TiAIN涂层高速钢麻花钻和无涂层高速钢麻花钻对1Crl8Ni9Ti不锈钢进行了对比性的连续钻削试验。

研究综合采用了电子枪等离子增强、非平衡磁控溅射和多弧离子镀3种物理气相沉积(PVD)技术，在高速钢麻花钻上沉积TiAIN单层涂层。

对涂层的硬度、涂层与基体的结合强度、微观形貌进行了测试及分析，并将TiAlN 涂层高速钢麻花钻对1Crl8Ni9Ti不锈钢进行干态钻削试验。

结果表明，在高速钢麻花钻基体上所制备的TiAIN涂层具有良好的力学性能，可以使高速钢麻花钻的使用寿命提高4倍以上【8】。

5、高速钢刀具复合涂层的研究现状（1）、离子氮化+PVD复合涂层高速钢刀具的硬度(特别是高温硬度)较低，切削加工时因热效应易使其软化变形，不能给涂层提供强有力的支撑，导致涂层开裂和剥落而失效。

采用离子氮化+PVD复合处理涂层具有一定的应用前景。

通过这样的复合处理可以弥补硬涂层硬度虽高，僵硬化层很薄，硬度梯度陡峭，以及离子氮化处理硬化层虽厚，但表层硬度不高的不足，得到既有高的表面硬度，又有强化过渡层的复合涂层。

Sato T，Ichimura H等[21]在同一沉积室对高速钢钻头进行离子氮化+PVD／Ti N复合处理。

结果表明：钻头切削性能大大改善，甚至超过了Ti—A1一N涂层钻头的切削性能；同时，在沉积过程中由于Ti与N 的相互作用及其向基体内部的迸一步扩散，使过渡层的硬度比单一离子氮化提高约l 200 MPa，从而提高了复合涂层的承载能力和抗磨损能力。

Fox-Rabinovich G等的3甚至对高速钢刀具进行了三重(ionnitriding+ion mixing+Ti—Cr—N)复合处理，与双重(ionnitriding十Ti—Cr—N)复合处理相比，刀具寿命又提高了2～3倍【9】。

（2）、混合PVD复合涂层等离子体增强磁控溅射沉积(PMD)技术是一种变异的PVD技术，其特点是将离子轰击与溅射技术相结合，产生具有独特细微结构的硬质抗磨涂层[6j。

Ronghua W等口1用PMD技术制备得到的Ti—N涂层具有很细微的结构、较高的残余压应力以及较高的结合强度，与弧蒸发和溅射法相比，利用该工艺制得的端铣刀、成型铣刀和滚齿刀等刀具寿命更长。

离子束辅助沉积(IBAD)技术是兼有气相沉积与离子注人优点的一种新型PVD技术。

其特点是在冷相沉积涂层时，用具有一定能量的离子束轰击不断沉积着的物质，使沉积原子与基体不断混合，界面处原子相互渗透溶为一体，从而大大改善涂层与基体的结合强度。

可在较低温度下制备c，N，B化合物膜，CBN和金刚石等超硬涂层。

Lugscheider E等[83用弧离子镀与平衡磁控溅射离子镀复合PVD技术在高速钢刀具上沉积了C卜Al—N和Cr—A1一N+C／C软硬复合涂层。

结果表明：该涂层硬度高，摩擦系数低，与基体结合强度高。

肖继明等口明用闭合场jE平衡磁控溅射离子镀【10】。

PVD涂层工艺在高速钢麻花钻上沉积了C卜A1一Ti—N梯度涂层。