刀具涂層的發展歷程
發布時間：2020-09-07
常規的過渡族金屬氮化物涂層，像TiN、CrN等早已被廣泛應用，但現代實際加工條件的愈加苛刻及更高的切削加工精度要求使得它們無法滿足，故相繼開發出成分多元化、功能多樣化的涂層。新型涂層具有比傳統涂層更高的硬度和抗高溫氧化能力，已成為當今具涂層發展的重要方向。
常規涂層
（1）氮化鈦(TiN)涂層：TiN是利用PVD技術制備的一種最常見涂層，不僅可以提高刀具硬度、韌性、使用壽命，而且還有較高的抗氧化溫度，該涂層相對來說具有一定的抗腐蝕、抗氧化及耐磨損能力，故應用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得良好的加工質量。
（2）碳化鈦(TiC)涂層：TiC涂層是涂層技術初期最早被開發出來的一種單一涂層，涂層的的硬度比TiN高，較強的機械磨損性能和基體粘結力，在切削加工過程中可降低加工阻力和切削溫度，其缺點是涂層脆性、韌性、抗彎強度較低，適合于刀具產生劇烈磨損及連續切削的場合。
（3）氮碳化鈦(TiCN)涂層：TiCN涂層是由TiN涂層加入合金化元素C，TiN晶格中部分氮原子被碳原子所取代而形成的同時具有TiN和TiC優點和特征的三元涂層。TiCN在摩擦學應用的磨損機制要優于TiN，這是因為TiCN涂層中C的存在作為潤滑劑降低了摩擦磨損。但是，在溫度高于400℃時該涂層就會失效，因此TiCN涂層適合運用于工作溫度低于400℃高速鋼刀具。
（4）鈦鋁氮(TiAlN)涂層：TiAlN／AlTiN涂層是在TiN基本結構中Al替代Ti而形成的具有立方NaCl結構的復合涂層。該涂層中氧化鋁的存在使薄膜導熱性降低從而提高刀具的高溫加工壽命。由于高硬度和耐磨性，以及良好的熱穩定性能和時效硬化能力，是最先進的加工工藝(例如：高速干式切削)的首選耐磨材料之一。TiAlN比TiN涂層刀具具有高的硬度、氧化溫度，好的紅硬性、附著力，低的熱膨脹系數及摩擦系數。切削性能優于TiN，可應用于鑄鐵、不銹鋼、高溫合金的高速切削或干式加工。
（5）鋁鈦氮(AlTiN)涂層：AITiN和TiAlN涂層區別在于鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層優異的力學和熱學性能被廣泛的應用于耐磨領域，這很大程度上歸功于鋁含量的增加。與TiN涂層相比，AITiN涂層作為刀具的保護層，可減少磨損量及更大的沖擊周期所導致的斷裂。由于晶粒細化后組織結構更加致密，AlTiN涂層比TiAlN涂層硬度更高，同時兼具了TiAlN涂層優良的綜合機械性能，是高速下式加工的一種理想涂層。
（6）氮化鉻(CrN)涂層：CrN涂層基于高硬度，高的熱穩定性，抗磨損和抗腐蝕性能，是一種受歡迎的低摩擦涂層、極高的變形表面和大晶粒尺寸的CrN結構可以為潤滑劑提供微儲藏，從而使CrN涂層也適用于在潤滑條件下工作的部件。另外，良好的抗粘結性能使CrN刀具涂層在容易產生積屑瘤及切削鈦合金、鋁等軟材料加工中成為首選涂層。這種幾乎無形的CrN涂層涂覆在高速鋼、硬質合金材質的車刀、銑刀、成形刀具上，可大大改善刀具的加工性能，因此，在工程中得到了廣泛應用。
（7）金剛石（Diamond）涂層：CVD金剛石涂層在刀具上的應用比較成熟，可為非鐵金屬材料加工刀具提供最佳性能，是加工陶瓷、石墨、金屬基復合材料（MMC）、高硅鋁合金、碳碳復合材料、高磨蝕材料等的理想涂層，這是因為刀具的磨損主要是由粘結、腐蝕、擴散等引起的熱、化學磨損，硬顆粒刻劃作用所導致的的機械磨損（注意:純金剛石涂層刀具熱穩定性差，在高溫條件下會失去硬度和碳化。除此之外，與鐵有很強的親和力。故不適合加工鋼鐵件，以避免破壞涂層與刀具間的粘附層）。金剛石涂層刀具有很高的熱導率、抗高溫氧化性，刀具壽命高于沒有涂層的硬質合金刀具，最適合用于表面光潔度要求高、抗腐蝕磨損和抗磨粒磨損的切削加工情況。
（8）立方氮化硼（c-BN）：立方氮化硼主要是在高溫高壓工藝下由人工合成的立方聚晶氮化物，硬度和熱導率僅次于金剛石，具有熱膨脹、密度較小和良好的熱穩定性，低斷裂韌性的特點。更重要的是，立方氮化硼不僅有金剛石的許多優良特性而且幾乎不與鐵族元素發生反應，對于黑色金屬具有優異的化學和熱穩定性。立方氮化硼涂層除了良好的耐磨性，還能切削加工高硬度和對刀具有嚴重磨損的合金材料，因此，加工冷硬鑄鐵、淬硬鋼、高溫合金、硬質合金等難加工材料時立方氮化硼往往成為最佳選擇。切削、鉆削、滾齒和攻絲等屬于不同的加工，適用的涂層也各不相同，涂層結構方式有:單涂層、雙涂層或多涂層、復合化合物涂層、梯度涂層、納米涂層及納米復合涂層等類型，各自有其特定的使用場合，進一步提高了刀具的使用壽命。
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