额适用于高速干切削技术的刀具涂层的研究现状和发展趋势

　　摘要：在高速加工和干切削技术上发展起来的高速干切削技术，不仅能有效避免切削液对环境的污染，而且还能大幅度的降低生成成本，适应了发展绿色环保制造业的要求。硬质涂层由于具备高的硬度，耐磨性以及耐高温等特性，已广泛的应用于刀具的处理。本文主要介绍刀具涂层的研究现状并探讨了适用于高速干切削技术的刀具涂层未来的发展趋势。
　　关键词：高速干切削；硬质涂层；硬度；耐磨性
　　引言：
　　现代工业和社会的发展，对占机械制造业60%工作量的切削加工技术提出了越来越高的要求，不但要高效率，高精度，同时还要求满足经济性和生态性的要求[1]。自上世纪九十年展起来的高速干切削技术，通过增加进给速度缩短了工件的加工时间；通过减少线间距提高了工件的表面加工品质；通过快速带走的切屑降低了切削区温度，减少甚至是完全停止了切削液的使用，实现了绿色生产[2]。因此，高速干切削技术逐渐成为切削加工领域的研究重点。刀具做为实现高速干切削技术的关键之一，已经得到了广泛而深入的研究。
　　1.高速干切削刀具材料
　　在切削加工过程中，由于切削时金属的塑形变形以及刀具、切屑和工件相互接触面之间的摩擦，使刀具切削刃上产生极高的温度，并在大的外加压应力的条件下，刀具将迅速磨损或破损，因此干式切削刀具材料应具备较常规刀具材料更高的耐热性、热韧性、耐热冲击性、抗粘结性及耐磨性[3]。
　　适用于干切削的刀具材料有：1、陶瓷刀具，包括氧化铝基陶瓷和氮化硅基陶瓷。氧化铝基陶瓷耐磨性好，耐热性好，化学稳定性高，抗粘结能力强，但是抗弯强度和韧性差。氮化硅基陶瓷有较高的抗弯强度和韧性；2、金刚石刀具，聚晶金刚石具有高的硬度、弹性模量和导热性，低的弹性模量和摩擦系数，适用于高速切削铝合金；3、立方氮化硼刀具，立方氮化硼（c-BN）具有很高的硬度（仅次于金刚石）和耐热性，良好的化学稳定性和导热性，低的摩擦系数，适用于高速切削黑色金属；4.涂层刀具，在硬质合金或高速钢基体上用CVD或PVD的方法涂覆或沉积金属氮化物涂层（TiN，CrN等），金属碳化物涂层（TiC，WC，CrC），金刚石涂层，类金刚石涂层，立方氮化硼涂层（c-BN）等[4]。
　　虽然陶瓷刀具具优良的切削性能，但由于陶瓷材料的脆性大，强度和韧性较低，陶瓷刀具并没有得到大范围的推广应用。金刚石刀具和立方氮化硼刀具都只适合切削特定类型的材料，这两类刀具的发展在很大程度上也受到了限制。与之相比，兼具了基体高强度及高韧性和涂层本身的高硬度及高耐磨性的涂层刀具拥有良好的综合性能和通用性，更加适用于高速干切削技术的发展，具有广阔的应用前景。
　　2．刀具涂层的研究现状
　　2.1硬质涂层
　　二元过度金属碳化物涂层作为主流的硬质涂层被最早研究。尽管它们的硬度很高，但是由于与一般的刀具衬底的结合强度低并且脆性大，它们很快被相应的氮化物涂层所取代。以Ti和Cr为主的二元过渡金属氮化物涂层的虽然与衬底的结合强度和韧性较碳化物涂层有了很大的提高，但是这两类涂层的高温抗氧化性能（例如，TiN涂层的抗氧化温度为550℃）还不能满足实际应用的需求。
　　通过“合金化”加入Al，Cr，W，V，C等元素形成的三元或多元的金属氮化物同二元涂层相比，具有更优异的力学性能和热力学性能，诸如：TiAlN，TiAlSiN，CrTiAlN等涂层已经得到了广泛的研究。其中，TiAlN涂层最具有代表性，通过调整涂层中Ti/Al的比例，涂层的抗氧化温度能够提高到925℃，保证了工具在高温下的抗磨损性能和硬度。在TiAlN
　　涂层中加入Si，可以起到细化晶粒的作用，涂层的硬度值随着Si含量的增加而增加，在Si含量为9%时，涂层的硬度达最大值，近似为50GPa,涂层刀具高速切削寿命提高50%。
　　涂层的制备技术主要包括CVD和PVD。通常CVD方法制备涂层过程中所需要的温度较高，在900℃以上，并且参与反应的通常是易燃易爆或有毒的气体，不符合绿色生产的要求。与之相比PVD（包括电弧蒸发，离子镀，反应磁控溅射等），通常选用合金靶材，或多个单质金属靶，在氮气的气氛下发生反应来制备金属氮化物等各类涂层。PVD方法尤其是近年来发展起来的脉冲磁控溅射，闭合场非平衡磁控溅射技术，不但设备简单、不使用有毒气体、低温沉积、工艺容易控制而且涂层致密、涂层质量好，具有很好的工业应用前景。
　　2.2自润滑涂层
　　金属氮化涂层（以TiAlN涂层为例）虽然具有很好的耐磨性和抗氧化性，但是它同钢质材料对摩时的摩擦系数在0.4~1.0之间，过高的摩擦系数不利于通过减少涂层与工件接触面的摩擦热来降低涂层和基体上的热负载。因此，具有自润滑特性的涂层得到了广泛而深入的研究，其中类金刚石（DLC）和MoS2涂层已经成功的应用于工业生产之中。
　　DLC和MoS2涂层同其他材料对摩时，在一定的条件下会在摩擦副表面形成转移膜，摩擦发生在具有低剪切模量的涂层材料和转移膜之间，涂层的摩擦系数很小在0.01~0.05之间，并且随着载荷的增加DLC和MoS2涂层的摩擦系数降低。但DLC和MoS2涂层的摩擦系数受空气湿度的影响很大，随着空气湿度的增加，涂层的摩擦系数迅速从0.01增大到0.5。虽然这两类镀层具有很低的摩擦系数低，但由于其抗氧化温度低（DLC涂层400℃，MoS2涂层500℃）和沉积速率低的原因，使得这两类镀层在高速干切削领域的应用受到了很大的限制[5]。
　　3.刀具涂层的发展趋势
　　由于决定刀具涂层使用寿命的关键是涂层的摩擦学特性，现在对刀具涂层的研究主要还是集中于如何提高涂层的硬度。纳米多层结构涂层和纳米晶复合涂层由于能够在显著提高涂层的硬度的同时改善涂层其它力学性能，成为今后刀具涂层的研究重点。
　　纳米多层结构涂层一般是由两种厚度在纳米尺度上的不同材料或结构交替排列而成的涂层体系，涂层在厚度方向上有纳米量级的周期性。许多研究结果表明，当调制周期在微米尺度范围内时，多层结构涂层的硬度按照Hall-Petch方程随着调制周期的减小而增大。当在纳米尺度范围内，硬度会出现峰值，能够获得任何单一组曾涂层无法获得的硬度和弹性模量（如HTiN=21GPa，HNbN=14GPa，但HTiN/NbN=52GPa），同时涂层的韧性和抗裂纹扩展能力得到了显著的改善。纳米晶复合涂层是在涂层基体里含有纳米尺寸单晶金属或其他化合物粒子的纳米复合材料。由于尺寸效应，纳米晶复合涂层表现出超硬现象。此外，纳米晶复合涂层还具有高的弹性恢复和韧性以及高的热稳定性。
　　对于涂层能否应用于高速干切削领域，不但取决于涂层本身的性能，还取决于这种涂层的制备技术能否进行工业化推广。近几年来出现的大功率脉冲磁控溅射技术在沉积金属氮化物涂层时，涂层的沉积速率得到了很大的提高（CrN涂层沉积速率达到10μm/h[6]），这为多元金属氮化物涂层的研究和应用上的推广提供了很好的支持。
　　4.结论
　　从涂层自身的性能和涂层的制备技术两方面来考虑，多元金属氮化物涂层是能够在高速干切削领域得到广泛应用推广的刀具涂层，具有极高的研究价值。
　　参考文献
　　【1】周宇，基于高速干切削的绿色工艺过程，工业与工程技术，2011（4）
　　【2】张书诚，高速干切削技术研究，机械制造与自动化，2007，36（4）
　　【3】包轩庭，高速干切削技术的研究现状与发展趋势，常熟理工学院学报，2007，21（8）
　　【4】宋贵宏，杜昊等，硬质于超硬涂层-结构、性能、制备与表征

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