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高速切削刀具用物理氣相沉積涂層研究進展
發(fā)布時間：2023-02-10
涂層刀具是利用氣相沉積方法在高強度的硬質(zhì)合金或高速鋼（HSS）基體表面涂覆幾個微米的高硬度、高耐磨性的難熔金屬或非金屬化合物涂層而獲得的，涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化和摩擦系數(shù)小等特性。涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴散和化學(xué)反應(yīng)，減少了月牙洼磨損，提高了涂層刀具使用壽命和切削效率。高性能涂層刀具已成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志，目前發(fā)達國家涂層刀具在刀具中所占比例已超過80%，并不斷上升。
刀具涂層的制備技術(shù)分為化學(xué)氣相沉積（CVD）和物理氣相沉積（PVD）兩類，CVD技術(shù)存在反應(yīng)氣體腐蝕設(shè)備、環(huán)境污染等一系列問題，自20世紀(jì)90年代中期以來其發(fā)展和應(yīng)用受到一定制約。物理氣相沉積（PVD）技術(shù)對環(huán)境無不利影響，在控制涂層的組元成份和結(jié)構(gòu)方面具有優(yōu)勢。刀具涂層材料和涂層技術(shù)在不斷升級更新，目前的刀具涂層已發(fā)展為添加多種功能化元素（抗磨損、耐氧化、低摩擦），具有多種結(jié)構(gòu)（納米多層、納米復(fù)合、梯度或多層結(jié)構(gòu)等）的多元多層納米復(fù)合涂層。本文對用于高速切削刀具的新型PVD涂層材料和沉積工藝進行了回顧和展望。
刀具表面的硬質(zhì)涂層對材料有以下要求：（1）硬度高、耐磨性好；（2）化學(xué)性能穩(wěn)定，不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（3）高溫抗氧化性和熱穩(wěn)定性高，在高溫下還能保持高硬度和長期穩(wěn)定性；（4）與基體結(jié)合強度高，摩擦系數(shù)低。因此適合做刀具涂層的材料主要是過渡金屬的氮化物和碳化物（TiN、TiC、CrN等），此外還有一些共價鍵化合物（金剛石、BN等）和離子鍵化合物（Al2O3）。TiC和TiN是最早出現(xiàn)的刀具涂層材料。TiC涂層抗磨料磨損能力強，具有高的抗刀面磨損和抗月牙洼磨損能力；TiN涂層摩擦系數(shù)小，應(yīng)用溫度高于TiC，適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料。隨著現(xiàn)代高速高效加工和難加工材料日益增多對刀具材料的苛刻要求，TiC和TiN涂層的硬度和抗高溫能力已滿足不了加工需要。刀具涂層材料不斷升級更新，經(jīng)歷了簡單二元涂層（TiN、TiC）→三元或四元固溶涂層（TiAlN、TiCN、TiAlCN等）→多層或超晶格結(jié)構(gòu)涂層（TiN/TiC/TiN多層、多層、TiN/AlN超晶格等）→納米復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層（TiSiN、等）的發(fā)展，涂層的硬度和最高使用溫度不斷提高。圖1和圖2總結(jié)了近年來出現(xiàn)的新型涂層和涂層性能的發(fā)展。
1、多元涂層
在TiN等二元涂層中加入第三或者第四元素制備出多元的刀具涂層材料后，大大提高了刀具的綜合性能，如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高抗磨損性，加入Si提高硬度和抗化學(xué)擴散。最常用的多元刀具涂層是TiCN、TiAlN、涂層。TiCN涂層兼有TiC和TiN涂層的良好韌性和硬度，它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C和N的成分來控制TiCN的性質(zhì)，并可形成不同成分的梯度結(jié)構(gòu)，降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層厚度，阻止裂紋擴展，減少崩刃。近年來，以TiCN為基的四元成分新涂層材料（如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等）也紛紛出現(xiàn)。
TiAlN涂層材料是目前應(yīng)用最廣泛的高速硬質(zhì)合金刀具涂層之一，TiAlN有很高的高溫硬度和優(yōu)良的抗氧化能力，涂層組成由原來的Ti0.75Al0.25N發(fā)展到和Ti0.33Al0.67N。AlTiN涂層在900℃時才會出現(xiàn)硬度降低；在高速加工產(chǎn)生的高溫下表面會產(chǎn)生一層非晶態(tài)Al2O3薄膜，對涂層起保護作用。
AlCrN系列涂層是近10年發(fā)展最為迅速的刀具涂層之一，與涂層相比，由于受到涂層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的限制，AlTiN涂層中的鋁含量實際已達到最大值（約66％）。在CrN基涂層中，鋁含量可以進一步提高到70%。在溫度達到1000℃時仍可保持其硬度；涂層具有較低的導(dǎo)熱系數(shù)；在1100℃下還可以保護刀具基體不發(fā)生氧化。其韌性超過鈦基涂層（如TiAlN、TiCN），更適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工。
在TiAlN和AlCrN涂層基礎(chǔ)上加入Cr（Ti）、B、Y、Zr等元素可以實現(xiàn)刀具涂層性能的進一步改善。可以通過硼含量的變化，在加工過程中產(chǎn)生所謂“實時”現(xiàn)象，即通過硼擴散，形成BN、B2N3，從而得到有利于切削加工的潤滑膜層。也可以在AlCrN涂層的基礎(chǔ)上，推出TiAlN+AlCrN基的涂層，完美的基礎(chǔ)涂層保證了卓越的結(jié)合力和加工強度，納米結(jié)構(gòu)的AlCrN涂層表現(xiàn)出良好的紅硬性和抗高溫氧化性能。
2、納米超硬涂層
納米結(jié)構(gòu)涂層因具有高硬度和其他特性而成為刀具涂層發(fā)展方向，主要分為兩類，一種是納米多層涂層，如TiN/AlN，TiN/TiAlN等。日本某公司開發(fā)的AC105G、AC110G等牌號的ZX涂層是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層，層數(shù)可達層，每層厚度約為1nm。這種涂層與基體結(jié)合強度高，涂層硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剝離性強，而且可顯著改善刀具表面質(zhì)量，其壽命是TiN、TiAlN涂層的2~3倍。納米多層涂層的硬度增強不但與單層材料的性能和制備工藝有關(guān)，還與涂層的調(diào)制周期有關(guān)，當(dāng)在形狀復(fù)雜的刀具或統(tǒng)一裝爐中不同工件表面沉積時很難控制各層的厚度，而且在高溫工作環(huán)境下各層間的元素互擴散也導(dǎo)致涂層性能發(fā)生變化，因此，不適合作為廣泛推廣的高速切削刀具涂層。另外一種是納米復(fù)合涂層，納米的硬質(zhì)氮化物晶粒彌散地分布在晶態(tài)或者非晶態(tài)的第二相基體中，主要有氮化物/金屬相納米復(fù)合涂層（nc-MeN/nc-Me’，Me:Ti、Cr等，Me’：Cu、Ni等）和氮化物/非晶相納米復(fù)合涂層（Me-Si-N，Me：過渡金屬元素及其組合或與Al等元素的組合，如Ti、TiAl等），氮化物/金屬相系統(tǒng)熱穩(wěn)定性差，在高溫下易擴散導(dǎo)致硬度下降，不適合作刀具涂層。
Me-Si-N納米復(fù)合涂層通過在傳統(tǒng)的TiN和TiAlN等單相涂層中加入一定含量的Si元素，發(fā)生熱力學(xué)上的調(diào)幅分解，生成由1~2個非晶原子層（Si3N4）包覆納米晶過渡金屬氮化物（TiN，TiAlN等）的骨架式納米復(fù)合結(jié)構(gòu)（圖3），由于納米晶體的強化效應(yīng)及非晶層限制晶粒的滑移和轉(zhuǎn)動對納米晶晶界的強化作用，涂層表現(xiàn)出傳統(tǒng)硬質(zhì)涂層難以達到的高硬度，而且涂層高溫下的組織穩(wěn)定性、熱硬性和抗氧化性等性能也大幅度提高，適應(yīng)于高速切削條件下對涂層性能的苛刻要求；在涂層中加入各種第四和第五元素，可以進一步改善涂層的硬度、韌性、摩擦系數(shù)和高溫抗氧化性等。納米復(fù)合涂層代表了國際上新一代刀具涂層發(fā)展的方向。
PVD技術(shù)制備Me-Si-N納米復(fù)合涂層的難點在于對納米相晶粒大小、形狀和分布、非晶相厚度的控制，等通過沉積涂層的成分和離子能量的控制（圖4），實現(xiàn)了納米復(fù)合涂層的可控生長；余東海等采用空心陰極和磁控濺射復(fù)合離子鍍技術(shù)制備了TiAlSiN、TiCrSiN多元納米復(fù)合涂層刀具，高速銑削淬硬鋼取得較好效果。
部分公司開發(fā)了納米復(fù)合結(jié)構(gòu)的刀具涂層。S.Carvalho等采用直流反應(yīng)磁控濺射方法制備了納米復(fù)合涂層刀具，并將該涂層與目前市場上適合高速切削的多層涂層（TiCN/Al2O3/TiN）的切削性能進行了比較，結(jié)果顯示，TiAlSiN納米復(fù)合涂層刀具在Vc=200m/min的條件高速車削合金鋼，比TiN多層涂層刀具磨損小，且工件表面粗糙度小于4μm，比TiN多層涂層刀具加工的工件表面質(zhì)量（12μm）有很大提高。P公司的新一代nc-Ti1-xAlxN/（a-Si3N4）納米復(fù)合涂層刀具，是在強等離子體作用下，3nm的TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，晶粒之間為1nm厚的Si3N4。這種結(jié)構(gòu)使涂層硬度可達到50GPa，摩擦系數(shù)為0.45，且高溫硬度更是非常突出，最高使用溫度可達1100℃，溫度達到時，其硬度值仍可保持在30GPa。日本公司開發(fā)的TiSiN涂層刀具（“TH”涂層）改善了加工高硬度材料時，TiN涂層刀具長期以來未能解決的涂層氧化和硬度欠佳問題。用“TH”涂層刀具高速加工拉伸模材料（HRC62）時與TiAlN涂層刀具相比加工成本降低54%。表1列出了幾種納米復(fù)合涂層與傳統(tǒng)TiN和TiAlN涂層的性能對比。
3、梯度和多層涂層
梯度涂層可以提供基體與涂層熱膨脹系數(shù)和力學(xué)性質(zhì)的過渡，降低內(nèi)應(yīng)力，改善涂層的結(jié)合強度和韌性，在高速切削的重載荷下使涂層不易崩裂和剝落，現(xiàn)代刀具涂層多采用多層或漸變式結(jié)構(gòu)；通過梯度涂層的設(shè)計可以避免災(zāi)難性的刀具涂層疲勞失效，極大延長涂層壽命，多層涂層（這里不含納米多層涂層）的設(shè)計主要是考慮刀具涂層更好的結(jié)合和多功能化,在CVD涂層中常采用3~7層涂層的組合方式,如，底層的TiC與基體的結(jié)合強度高，并有良好的耐磨性；中間的Al2O3作為一種有效的熱屏障可允許有更高的切削速度；外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損能力；最外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)。PVD涂層中也經(jīng)常采用多層結(jié)構(gòu)，如的TripleCoatings三重涂層（nACo3、、nATCRo3）由Ti（Cr）N粘結(jié)底層（良好結(jié)合）、AlTi（Cr）N中間層（堅固核心和良好耐磨性、較低內(nèi)應(yīng)力）和AlCrSiN納米結(jié)構(gòu)頂層構(gòu)成（極高硬度、出色隔熱性和抗磨損能力）構(gòu)成，通過成分和結(jié)構(gòu)調(diào)整可以實現(xiàn)各種條件下的高速切削。
在刀具涂層表面產(chǎn)生磨擦系數(shù)低的表面層，可以實現(xiàn)降低切削力和降低切削溫度，從而改善切削性能。一種是直接沉積固體潤滑膜，如DLC、MoS2基的軟涂層材料，但是由于該類涂層耐溫一般都比較低，難以適應(yīng)高速重載荷切削的需要，但在加工某些有色金屬時具有良好的效果。如某公司新推出的軟涂層，在TiN硬涂層基礎(chǔ)上涂覆一層0.2~0.5μm厚的減摩涂層，摩擦系數(shù)僅為0.05~0.10，具有不粘附和自潤滑的作用，避免加工高塑性、高韌性工作材料時出現(xiàn)粘刀及積屑瘤現(xiàn)象，非常適合于干式或微量潤滑條件下鉆削加工鋁合金、鈦合金等輕金屬材料。另外一種是加拿大McMaster大學(xué)教授提出來的自適應(yīng)涂層的思想，他提出通過涂層成分和結(jié)構(gòu)設(shè)計使涂層在使役過程中自適應(yīng)環(huán)境生成具有抗氧化性、低摩擦系數(shù)而且有利于耗散能量的復(fù)合氧化涂層。以此思想成功研制了性能遠優(yōu)于nc-AlTiN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層的TiAlCrSiYN和NbN自適應(yīng)納米涂層，高速切削時涂層表面很容易生成含有適當(dāng)含量Cr-O、Al-O、Si-O的氧化膜，既具有抗氧化性，又具有自潤滑性能，降低了刀具切削力和溫度，改善其切削性能；Nb-O氧化膜電阻率接近金屬，可以快速將積聚的變形能傳遞出去，不對氧化膜下面的涂層產(chǎn)生破壞。對PVD技術(shù)沉積的AlTiN涂層表面進行Ar+離子轟擊處理，增加涂層表面的缺陷和活性，在高溫切削時生成類α-Al2O3薄膜，涂層高溫下的摩擦系數(shù)有明顯降低，高速切削性能有較大改善。
4、含氧涂層
涂層沉積過程中，真空室內(nèi)總存在一定的殘留氣體，Nakano等在用超高真空反應(yīng)磁控濺射沉積TiN涂層時發(fā)現(xiàn)，只有在真空達到10-8Pa量級的時候，涂層中才不含氧，當(dāng)氧分壓為10-4Pa量級的時候，用X射線光電子能譜（XPS）還可以檢測到涂層中含10%~20%（摩爾分?jǐn)?shù)）的氧，盡管測得氧含量的絕對數(shù)值會隨測量方法有差異，但可以確定涂層中含有相當(dāng)含量的氧雜質(zhì)。對于一般工業(yè)型硬質(zhì)涂層沉積設(shè)備，真空度基本在10-3Pa量級，涂層會不可避免地含有一定量的氧，所以氧對刀具涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響是無法回避的問題，盡管在大部分的研究中并沒有對這個問題加以重視。
有關(guān)氧對刀具涂層結(jié)構(gòu)和性能的影響，基本上有兩類觀點，一種認(rèn)為涂層中氧雜質(zhì)是有害元素，會引起涂層硬度下降，Veprek等在研究納米復(fù)合涂層時發(fā)現(xiàn)其同一成分和結(jié)構(gòu)的TiSiN涂層硬度變化可以很大。通過研究涂層中雜質(zhì)含量，認(rèn)為是包括沉積參數(shù)和雜質(zhì)含量等導(dǎo)致超硬涂層硬度值的分散，其中雜質(zhì)含量影響最大，只有當(dāng)雜質(zhì)元素含量小于0.01%時才可能復(fù)制出他的試驗結(jié)果。馬大衍等報道氧含量0.1%和0.2%時可以分別達到60GPa和50GPa的硬度，氧含量時涂層最高僅30GPa左右，沒有明顯的硬度增強效應(yīng)。另一類學(xué)者認(rèn)為氮化物涂層中含有一定量的氧并不一定會導(dǎo)致性能的下降，如果對涂層中氧元素加以利用，可以獲得良好的切削刀具涂層。通過氧的加入可以改善CrN涂層的抗氧化性能，可以在不降低或略有降低硬度的前提下改善其摩擦性能，從而使TiAlON涂層的切削性能比有所提高。Ding等在非平衡磁控濺射TiSiN涂層中加入氧元素，在O/N為0.72時摩擦系數(shù)可以降低至20%，而硬度降低不大。Lee等提出一定量氧的加入可以調(diào)整涂層的內(nèi)應(yīng)力水平，降低摩擦系數(shù)，而硬度還可以略有升高。據(jù)悉，公司推出的TiAlXN涂層即為涂層，切削性能優(yōu)于涂層。Barthelmä等研究電弧離子鍍和ZrON涂層刀具，在等溫淬火球鐵和不銹鋼等難加工材料的高速加工上顯示優(yōu)勢。
氧化物的高溫穩(wěn)定性明顯優(yōu)于氮化物，當(dāng)涂層以氧化物為主時，涂層在高溫下的表現(xiàn)更佳，其中代表是氧化鋁涂層。Al2O3具有高耐磨損性和紅硬性，在1000℃仍能保持良好化學(xué)穩(wěn)定性。在切削刀具表面制備Al2O3涂層，能夠在高速干切削條件下對刀具起到保護作用，從而提高切削加工效率。部分公司已制備出涂層可用于高速切削刀具，但PVD氧化物涂層的經(jīng)濟性仍存在問題；P公司采用更為經(jīng)濟的氧化物涂層，發(fā)展了AlCrON和涂層，涂層仍以氧化物為主，但由于加入Cr和N，更容易沉積制備。由于氧化物的特點是化學(xué)穩(wěn)定性好、高溫性能好、抗擴散磨損性能好，但韌性較差，作為刀具涂層一般是加在、TiAlSiN等硬質(zhì)支撐層表面使用。
目前，用于硬質(zhì)涂層沉積的PVD涂層技術(shù)主要有磁控濺射和電弧離子鍍兩類。傳統(tǒng)的磁控濺射技術(shù)因其低溫沉積、表面光滑、無顆粒缺陷等諸多優(yōu)點，是目前最重要的工業(yè)化大面積真空鍍膜技術(shù)之一。但濺射金屬大多以原子狀態(tài)存在，金屬離化率低（約1%），導(dǎo)致膜基結(jié)合力較差，涂層易剝落失效。相比于磁控濺射，電弧離子鍍具有較高金屬離化率（約90%）和強膜基結(jié)合力的優(yōu)點；然而，在沉積過程中產(chǎn)生的大量宏觀顆粒，導(dǎo)致涂層表面粗糙、內(nèi)應(yīng)力高。PVD涂層技術(shù)在20世紀(jì)末和進入21世紀(jì)后經(jīng)歷了革命性發(fā)展，新型磁控濺射技術(shù)的發(fā)展，如將高能脈沖濺射沉積技術(shù)、雙極脈沖磁控濺射、氣體反饋控制系統(tǒng)和閉合磁場設(shè)計等新技術(shù)應(yīng)用于硬質(zhì)涂層產(chǎn)業(yè)，可制備出硬度高、均勻致密、結(jié)合強度高、內(nèi)應(yīng)力低、韌性好的硬質(zhì)涂層；而且方便控制硬質(zhì)涂層的組元成分和結(jié)構(gòu)，沉積出各種符合要求的涂層。與此同時，電弧離子鍍技術(shù)也有很多大的改進，通過增大陰極面積，采用旋轉(zhuǎn)陰極和采用激勵磁場分散電弧的辦法，大大降低了涂層中的大顆粒含量。
高功率脈沖磁控濺射技術(shù)（HIPIMS）是近年來發(fā)展起來的一種高離化率PVD技術(shù)，該技術(shù)是利用較高的脈沖峰值功率（傳統(tǒng)磁控濺射的1000倍或更高）來實現(xiàn)產(chǎn)生高金屬離化率（>50%）。高功率脈沖磁控濺射技術(shù)綜合了磁控濺射表面光滑、無顆粒缺陷和電弧離子鍍離化率高、膜基結(jié)合力強、涂層致密的優(yōu)點，且離子束流不含大顆粒，在控制涂層微結(jié)構(gòu)的同時獲得優(yōu)異的膜基結(jié)合力，在降低涂層內(nèi)應(yīng)力，以及提高涂層致密性、均勻性，尤其是對復(fù)雜幾何形狀工件沉積材料到不同區(qū)域的導(dǎo)向等都具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢，被認(rèn)為是PVD發(fā)展史上近30年來的最重要的一項技術(shù)突破。Lattemann等采用HIPIMS離子轟擊，在CrN/NbN納米多層涂層與高速鋼基體之間生成冶金結(jié)合的界面，界面結(jié)合力遠優(yōu)于Ar離子轟擊和電弧轟擊；等發(fā)現(xiàn)不同的HIPIMS離子轟擊種類（Ti、W、Cr）對硬質(zhì)合金刀具上涂層的界面結(jié)合強度、界面應(yīng)力、涂層疲勞強度和刀具切削性能有至關(guān)重要的影響。Bobzin等采用技術(shù)（高束流離子轟擊加速納米復(fù)合涂層的Spinodal調(diào)幅分解）制備TiSiC、TiAlSiN等納米復(fù)合涂層，形成兩相完全分離的納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)，有利于硬度和韌性同步改善，使刀具壽命提高近1倍。技術(shù)在合成r-TiO2、a-Al2O3、（MAX）等不易在室溫下生成的高溫相方面也具有優(yōu)勢。
結(jié)束語
由于現(xiàn)代高速高效加工和難加工材料使用日益增多對刀具材料的苛刻要求，國際上刀具涂層材料和涂層技術(shù)在不斷升級更新，目前的刀具涂層已發(fā)展為添加多種功能化元素（抗磨損、耐氧化、低摩擦）、具有多種結(jié)構(gòu)（納米多層、納米復(fù)合、梯度或多層結(jié)構(gòu)等）的多元多層納米復(fù)合涂層；傳統(tǒng)的電弧離子鍍和磁控濺射技術(shù)經(jīng)過多種改進，可以制備出硬度高、均勻致密、結(jié)合強度高、內(nèi)應(yīng)力低、韌性好的硬質(zhì)涂層，用于刀具涂層生產(chǎn)。
隨著我國制造行業(yè)高速發(fā)展，對高強度鋼、淬硬鋼、冷硬鑄鐵、高溫合金、鈦合金、不銹鋼、印刷電路板（PCB）等難加工材料的使用量急劇增加；同時加工精度和加工效率的不斷追求，以及加工過程的綠色環(huán)保的要求也在不斷提高,高端刀具涂層是急需解決的問題。目前的重點是針對不同的被加工材料和工況發(fā)展專用刀具涂層，通過優(yōu)化添加多種合金元素、優(yōu)化涂層結(jié)構(gòu)（納米復(fù)合結(jié)構(gòu)、梯度和多層結(jié)構(gòu)）和采用新型涂層技術(shù)，從而大大提高刀具的耐用度和切削效率。
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