PVD氮化钛涂层刀具切削性能的试验研究

采用电弧离子镀涂层工艺,制备了TiN涂层高速钢钻头和TiN涂层硬质合金铣刀,检测了TiN涂层的膜层性能,并进行了有TiN涂层和无涂层刀具的切削对比试验。结果表明,有TiN涂层的高速钢钻头使用寿命是无涂层钻头的5～7倍,有TiN涂层硬质合金铣刀的使用寿命是无涂层铣刀的3～11倍。     

切削刀具PVD涂层技术的发展及应用

PVD涂层是利用蒸发、辉光放电等物理过程 ,在基材表面沉积出所需要的涂层的技术 ,通常采用的 PVD技术有蒸发镀膜、离子镀膜和溅射镀膜三大类 ,其中离子镀和溅射镀适合于对切削刀具进行超硬材料涂层。本文着重介绍了溅射镀技术及采用该技术生产的几种重要的涂层 ,结合实例介绍了它们的使用性能 ,并对 PVD涂层切削刀具技术的研究进展 ,工业化生产及应用现状进行了综述。     

PVD涂层刀具高速铣削CoCrMo合金的性能研究

目的为了提高涂层硬质合金刀具的切削性能,研究了物理气相沉积PVD法制备的涂层硬质合金铣刀在高速干式环境下的铣削性能。方法采用阴极电弧技术制备了TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层硬质合金铣刀刀头,通过一同沉积涂层的硬质合金圆片,间接测量得出涂层的显微硬度、厚度和平均摩擦系数,并以CoCrMo合金为切削对象,进行了PVD涂层与无涂层刀具高速铣削下的对比试验。结果TiAlSiN显微硬度最高达3800HV,摩擦系数达0.3,TiAlN涂层平均膜厚为2μm,间接测得TiN、TiAlN以及TiAlSiN涂层的结合力依次为60、58、42N。在三者的切削性能中,TiAlSiN涂层的切削性能比TiAlN和TiN涂层的好,同等切削参数时,TiN刀具的高速铣削时间最短,TiAlSiN涂层的平均磨损值为0.1895,TiN的平均磨损值为0.3047。结论涂层中添加Al、Si,极大地提高了刀具的使用性能,改善了刀具切削过程中的耐磨性、红硬性,极大地延长了刀具的使用寿命。TiAlSiN涂层的硬度高,耐磨损性好,切削性能好,适合高速铣削加工。     

物理气相沉积（PVD）TiN，TiCN和TiAlN涂层硬质合金刀具的车削性能

在WC-6wt％Co硬质合金刀片上沉积离子镀PVDTiN、TiCN涂层和高离子化溅射PVD TiAlN涂层。描述了涂层和基体的显微特征和力学性能。在以高低切削速度车测铬镍铁合金Inconel 718、中碳钢SAE 1045和球磨铸铁中对涂层刀具进行了测试。TiAIN涂层刀具显示出最好的金属切削性能，其次是TiCN和TiN涂层刀具。TiAIN涂层刀具优良性能在较高速度下更加突出．它与冷层较高的耐磨性和抗月牙洼磨损能力有关。这些特点是在TiAIN车削使用时刀尖通常遇到的温度下具有较高的红硬性和抗氧化性的结果。     

新型PVD刀具涂层——AlCrN

TiAlN和AlTiN是将Al元素沉积到TiN中而形成的PVD刀具涂层。迄今为止，通过增加TiAlN、AlTiN涂层中的铝含量，从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度，一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。自1995年以来，人们一直在持续不断地研究和改进相关的气相沉积工艺。到2000年，TiAlN和AlTiN涂层中铝元素与钛元素的成分比例已从原来的1：2提高到3：2，即铝含量已从33％增加到60％。     

用于高速高效加工的PVD超级ZX涂层

日本住友电工硬质合金公司成功开发了用于切削刀具、由纳米级TiAlN和AlCrN超薄涂层交替排列（多达约千层）组合而成的厚涂层——PVD超级ZX涂层（见图1）。这种新型涂层的物理特性见表1。与原有涂层（TiN和AlN的多层涂层）相比,新涂层提高了铝含量,并实现了性能最优化：涂层硬度提高了40％（从原有涂层的40GPa提高到56GPa）;     

新一代PVD刀具涂层

PVD涂层全球供应商Balzers公司最近开发出世界首创的新一代PVD涂层——G6涂层。这种商标名为BALINTT的AlCrN基刀具涂层非常薄，但硬度极高，可显著减小刀具的磨损和摩擦，具有优异的加工性能。BALINIT涂层适用于硬质合金和高速钢刀具的涂覆和重涂。     

石墨烯涂层刀具的研究现状

针对高效干式切削加工中润滑能力不足,将自润滑性能优良的石墨烯粒子原位生长或者以复合材料的形式沉积于硬质合金刀具基体表面,有望弥补传统干切削中刀具使用寿命和加工性能偏低的不足。介绍了石墨烯材料在金属切削刀具领域中的研究和应用的现状,解读使用不同的工艺制备方法获得原生石墨烯涂层或者石墨烯复合超硬材料,并用其进行金属切削加工和摩擦磨损的试验。结果表明：石墨烯涂层刀具具备优良的润滑性能,能有效降低刀具的摩擦因数和磨损率,提高其使用寿命。     

多弧离子镀TiAlSiN梯度涂层制备及切削性能

针对含Si超硬涂层与基体结合强度不足,切削过程中涂层易发生剥落从而导致涂层刀具切削性能低的问题,采用离子源增强的多弧离子镀技术在硬质合金刀具上制备了不同含Si层梯度结构的TiAlSiN梯度涂层。利用XRD、SEM、OM以及切削试验探讨不同含Si层梯度结构对涂层物相、表面形貌、膜基结合强度、摩擦磨损以及切削性能的影响。结果显示：不同含Si层梯度结构的TiAlSiN涂层主要由固溶的（Ti,Al） N和（Al,Ti） N相组成。其中,低Si直接过渡的TiAlSiN涂层（S3）呈现出较高的硬度、良好的膜基结合力、较低的涂层残余应力和摩擦因数。铣削结果显示,涂层刀具的切削磨损机理主要表现为粘着磨损。当切削速度为80 m/min时,低Si过渡涂层（S3涂层）表现出更高的切削长度（925 m）,显著高于S1涂层的525 m;当切削速度由80 m/min增加至110 m/min时,S3涂层切削长度增加到1650 m。对含Si刀具涂层进行梯度设计,可有效提高涂层的膜-基结合强度和涂层刀具的切削性能。     

滚轮表面TiAlSiN涂层制备及失效机理研究

目的通过对滚轮表面制备超硬纳微米TiAlSiN涂层,提高滚轮的综合工作性能。方法采用阴极电弧离子镀膜技术在滚轮工作面及高速钢试样表面制备超硬纳微米TiAlSiN涂层。通过X射线荧光测量系统测量涂层厚度,采用扫描电子显微镜(SEM)观察涂层表面特征和形貌,采用能谱仪(EDS)对涂层元素的成分进行分析,通过纳米压痕仪及洛氏硬度计对涂层的硬度及膜基结合力进行测定和分析。结果滚轮表面1.97μm厚的TiAlSiN涂层的Si原子数分数为4.21%,其显微硬度为37.69 GPa,涂层与基体的膜基结合力符合VDI-3198工业等级的HF3,呈现出较强的膜基结合力。经生产线上滚压机实际成形加工验证,涂层后滚轮的工作寿命是未涂层滚轮的5倍,滚轮具有强度高、耐磨损、抗氧化、耐腐蚀、粘附性降低等特性,显著改善了磨损、剥落、疲劳裂纹、缠辊、粘滚等现象。结论在滚轮表面制备超硬纳微米TiAlSiN涂层,能显著提高滚轮的综合工作性能。     

多层梯度结构对TiAlSiN涂层摩擦磨损性能的影响

为提高304不锈钢耐磨损性能,采用磁过滤阴极弧等离子体沉积的方法制备TiAlSiN多层梯度涂层,研究多层梯度结构对涂层摩擦磨损性能的影响。采用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、X射线光电子能谱仪(XPS)、纳米压痕仪和划痕仪等方法对涂层的表面形貌、物相结构以及力学性能进行表征,并通过MST-3001摩擦磨损试验仪测试不同结构涂层的摩擦磨损性能。结果表明:与TiAlSiN单层涂层相比,TiAlSiN多层梯度涂层具有更高的结合力和韧性;两种涂层的摩擦因数和磨损率都远小于304不锈钢,其中TiAlSiN多层梯度涂层具有比单层涂层更低的磨损率,磨损率由2.6×104μm3/(N·m)降至8.5×103μm3/(N·m),降低了67.8%,TiAlSiN多层梯度涂层磨痕表面光滑致密,主要磨损机制为轻微粘着磨损、磨粒磨损和氧化磨损的协同作用。     

焊接刀具PVD涂层值得关注的几个问题

PVD涂层在焊接刀具上的应用非常有限。利用多年涂层行业的工作经验,阐述了对焊接刀具进行PVD涂层时需要注意的问题,并针对这些问题提出了解决方案。根据这些方法,可以对焊接刀具进行正常PVD涂层,并能够大幅度提高焊接刀具的性能。     

TiAlSiN纳米复合涂层的改性研究现状及发展

随着切削技术向高速、高效、高精、绿色、智能方向发展,切削加工对刀具及涂层性能提出了更高的要求,以TiAlSiN涂层为代表的四元硬质涂层发展迅速。综述了单层TiAlSiN纳米复合涂层的制备工艺、结构与性能特点,根据TiAlSiN单层涂层存在低韧性和低结合强度的问题,提出了对TiAlSiN涂层改性研究的必要性。综述了结构改性、成分改性以及二者相结合改性TiAlSiN涂层的制备工艺、结构与性能特点,指出了纳米多层结构的TiAlSiN涂层中存在的横向层间界面对原子的扩散具有良好的阻碍作用,涂层的抗氧化性由此被提高,涂层硬度等力学性能受多层结构的调制层成分、调制周期等因素影响而被提高或降低。介绍了C、Cu、Cr、V等合金化元素在TiAlSiN涂层中的作用效果,C元素在涂层中具有减摩作用,Cu元素的主要作用是增强涂层与基体的结合,Cu、Cr、V元素在涂层中均使涂层硬度不同程度降低,提出了最大限度发挥添加元素与层间界面结构的协同作用来获取最佳性能的纳米多层结构TiAlSiN基多元涂层是今后研究的重要方向之一。此外,还提出了通过基体前处理和涂层后处理增强TiAlSiN涂层韧性和层基结合强度的发展方向。     

热震对TiAlSiN涂层结构与性能的影响

目的探究TiAlSiN涂层经过不同热震次数后,其组织结构及性能的变化规律及机制。方法采取电弧离子镀技术在单晶硅和M2高速钢(W6Mo5Cr4V2)表面沉积TiAlSiN涂层,采用加热-水淬循环的方法进行热震试验。采用3D表面轮廓仪、扫描电子显微镜(SEM)表征涂层显微形貌,用金相显微镜测定膜/基结合力,用能谱仪(EDS)分析涂层元素含量变化,用X射线衍射仪(XRD)表征物相结构,用划痕仪和硬度计测量涂层力学性能,用摩擦磨损试验仪、光学显微镜探究涂层摩擦学性能及摩擦磨损机制。结果随着热震次数的增加,涂层表面产生的TiO颗粒尺寸增大,含量增多,粗糙度增加。XRD衍射峰向小角度发生偏移,但仍保持立方结构。涂层的力学性能变差,硬度值由2066HV_(0.025)下降至1447HV_(0.025),结合力由常温的71.8 N下降至33.9 N,结合力等级由常温的HF1降至HF4。此外,30、40、50次热震后,涂层展现出比常温下更优异的耐磨性能,摩擦系数由常温的0.571分别降低至0.427、0.389、0.273,磨损率由常温时的1.4×10~(-14) m~3/(N·m)分别降至1.01×10~(-14)、0.93×10~(-14)、0.71×10~(-14)m~3/(N·m),磨损类型主要为粘着磨损与氧化磨损。结论 TiAlSiN涂层在600℃下具备优异的抗热震性能,多次冷-热循环后仍为立方结构。随着热震次数的增加,TiAlSiN涂层表面质量及力学性能下降,但摩擦磨损试验中,由于涂层表面多次热震形成的氧化物起到润滑效果,有效减缓了涂层与摩擦球的剧烈接触,使TiAlSiN涂层的耐磨减摩性能提高。     

超硬纳微米 PVD 涂层技术在刀具领域的应用及研究进展

介绍了物理气相沉积(PVD)技术的原理、特点和真空蒸镀、溅射镀和离子镀之间的优缺点,从二元涂层、多元涂层、多层涂层和纳米多层复合涂层等4种类别上介绍了PVD涂层技术在切削刀具上的广泛应用。在查阅和整理大量文献资料的基础上,也结合笔者多年从事PVD技术的研究与应用心得,从提高切削刀具的寿命这一重要角度出发,阐述了国内外超硬纳微米PVD涂层技术在切削刀具应用领域的研究进展,并对多元涂层、多层涂层及涂层的纳米化也进行了较为详细地论述。切削刀具表面采用物理气相沉积涂层技术能使刀具获得优异的综合性能,从而显著提高切削刀具的使用寿命,降低生产成本,大幅提高机械加工效率。最后展望了物理气相沉积涂层技术未来将在超硬切削(包括模具钢、淬硬钢等硬度超过HRC55以上的铣削加工)、难加工材料切削(包括高温合金、钛合金、不锈钢等)、石墨和碳纤维等复合材料加工和有色金属的高速切削加工(包括铝合金、铜合金、镍等)的广泛应用。     

基片偏压占空比对多弧离子镀TiAlSiN涂层形貌及力学性能的影响

目的采用多弧离子镀膜技术在硬质合金基体表面沉积TiAlSiN涂层,研究占空比参数对TiAlSiN涂层的表面形貌和力学性能的影响。方法使用扫描电子显微镜对涂层的形貌进行观察,使用自动划痕仪、纳米压痕仪对涂层的力学性能进行检测。结果占空比在10%~70%范围内增加,离子轰击得到加强,涂层表面得到很好的改善,大颗粒与微坑缺陷数量逐渐减少。当占空比增大到90%时,大颗粒和微坑缺陷数量反而增多。结论随着占空比的增加,纳米硬度、弹性模量和涂层结合力均先增大后减小,占空比为50%时,分别达到最大值48.15 GPa、518.24 GPa、50.55 N。     

物理气相沉积(Ti,Al)N涂层刀具的切削性能

涂层已成为提高刀具切削性能的重要手段。对上海工具厂镀膜机制备的（Ti,Al）N涂层性能分析发现,其表面硬度达到32GPa,高于TiN的24GPa;同时,涂层表面生长良好。在试验室进行的干式切削试验表明,（Ti,Al）N涂层切削过程中磨损小于TiN涂层,切削寿命高于TN涂层;（Ti,Al）N涂层适合高速切削,分析了（Ti,Al）N涂层适合高速切削的主要原因。     

涂层技术与现代切削刀具的互动发展

近几年来,在经济全球化背景下,我国的制造业获得了空前发展的机遇,而现代切削刀具成了提升制造业技术水平的关键因素之一,不断提高的切削加工要求和被加工材料的能级以及减少切削加工对环境污染等有力地推动了用于现代切削刀具涂层技术的发展.膜系材料多元合金化,涂层工艺组合的多样化中出现的TiAlN、TiAlCN、CrSiN等多元复合涂层和多层涂使刀具获得了高耐磨、低摩擦、热稳定性好和抗氧化能力强等良好的综合性能,大大提升了现代切削刀具的性能;纳米组分和纳米薄膜涂层的显微结构使得难加工材料的切削得到了新的解决办法;金刚石涂层和类金刚石涂层(DLC)在加工石墨零件和纤维增强等非金属材料和有色合金材料方面取得了良好的效果.为适应涂层工艺的发展,涂层的工艺装备亦实现了集成化、模块化和智能化.使涂层技术日趋个性化.涂层技术的发展也使现代切削刀具发展为一项高技术含量的产品,充分体现了两者发展的互动性.