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刀具涂層的發(fā)展歷程

來源：常見問題 | 發(fā)布日期：2022-12-16

常規(guī)的過渡族金屬氮化物涂層，像TiN、CrN等早已被廣泛應(yīng)用，但現(xiàn)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(fā)出成分多元化、功能多樣化的涂層。新型涂層具有比傳統(tǒng)涂層更高的硬度和抗高溫氧化能力，已成為當(dāng)今具涂層發(fā)展的重要方向。

常規(guī)涂層

（1）氮化鈦(TiN)涂層：TiN是利用PVD技術(shù)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(yīng)用于高速鋼切削刀具或成形工具可獲得良好的加工質(zhì)量。

（2）碳化鈦(TiC)涂層：TiC涂層是涂層技術(shù)初期最早被開發(fā)出來的一種單一涂層，涂層的的硬度比TiN高，較強(qiáng)的機(jī)械磨損性能和基體粘結(jié)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(qiáng)度較低，適合于刀具產(chǎn)生劇烈磨損及連續(xù)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(yōu)點和特征的三元涂層。TiCN在摩擦學(xué)應(yīng)用的磨損機(jī)制要優(yōu)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(jié)構(gòu)中Al替代Ti而形成的具有立方NaCl結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層。該涂層中氧化鋁的存在使薄膜導(dǎo)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(wěn)定性能和時效硬化能力，是最先進(jìn)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(shù)及摩擦系數(shù)。切削性能優(yōu)于TiN，可應(yīng)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(qū)別在于鋁和鈦的比例不同，AlTiN涂層優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能被廣泛的應(yīng)用于耐磨領(lǐng)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(hù)層，可減少磨損量及更大的沖擊周期所導(dǎo)致的斷裂。由于晶粒細(xì)化后組織結(jié)構(gòu)更加致密，AlTiN涂層比TiAlN涂層硬度更高，同時兼具了TiAlN涂層優(yōu)良的綜合機(jī)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(wěn)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(jié)構(gòu)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(jié)性能使CrN刀具涂層在容易產(chǎn)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(zhì)合金材質(zhì)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(yīng)用。

（7）金剛石（Diamond）涂層：CVD金剛石涂層在刀具上的應(yīng)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(fù)合材料（MMC）、高硅鋁合金、碳碳復(fù)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(jié)、腐蝕、擴(kuò)散等引起的熱、化學(xué)磨損，硬顆?？虅澴饔盟鶎?dǎo)致的的機(jī)械磨損（注意:純金剛石涂層刀具熱穩(wěn)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(qiáng)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(dǎo)率、抗高溫氧化性，刀具壽命高于沒有涂層的硬質(zhì)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。