关键词：刀具涂层;涂层材料； 制备技术；应用前景与发展
0引言
随着机械行业加工技术的不断发展, 加工难度较高新型材料的使用逐渐增多,高速切削加工条件的不断提高,传统的刀具已经不能满足新的要求[1]。虽然通过一系列措施,使得刀具材料的硬度提高，抗磨损性增加，但与此同时，也降低了刀具材料的冲击韧性和抗弯强度,因此刀具的使用性能受到影响。由于刀具涂层是改善上述问题的有效方法，即刀具基体上涂覆一层或多层高硬度、耐磨损、耐腐蚀的金属或者非金属化合物涂层（如：CrN、AlTiN 、AlCrN 、Al2O3等），这使得刀具与工件之间的摩擦因数大大降低，在不降低涂层的硬度与韧性的前提下提高了刀具的耐磨性，延长了刀具的使用寿命，提高了加工效率[2]。
1刀具涂层材料的发展
近年来，刀具涂层的逐步发展，使得涂层可供选择性增加,例如二元涂层、多元涂层以、纳米复合涂层，交替涂覆的多元涂层等。下面是一些刀具涂层材料和制备工艺的发展应用情况。在不同的加工条件、不同加工场合选用哪种涂层有益于切削加工得到最佳效果，每一种涂层材料的特性都具有十分重要的作用。
1.1二元涂层
通过等离子体辅助的物理气相沉积（PVD）技术制备的过渡金属氮化物硬质涂层可以被广泛地应用于改善工业刀具和机械零部件的性能和寿命。其中二元涂层CrN因为具有硬度高、膜/基结合力强、耐磨损等优良特性，故被作为保护涂层广泛的应用于机械加工行业。而高的氧化温度和在恶劣的环境条件下具有优异的耐腐蚀性能，进一步提高了CrN涂层的综合性能，与其他金属形成多组分涂层已经进行了合作[3]。TiC是一种硬度高，耐磨的化合物二涂层,具有良好的抗摩擦耐磨损性能; TiN的硬度稍低,但化学稳定性较高,且降低了刀具与被加工工件之间的摩擦系数，与高速钢涂层结合牢固。从工艺上来讲，两者都是理想的涂层刀具材料,但二元的涂层均很难满足现阶段高速切削及恶劣加工条件对刀具涂层性能的综合要求[4]。
1.2三元涂层
向二元涂层CrN中添加铝元素使其硬度、耐磨性和高温抗氧化性方面显著增加，并且随着铝含量的增加，三元CrAlN涂层的氧化速率降低，提高了抗氧化性。TiAlN涂层抗氧化温度比TiC、TiN高，在温度较高的条件下，TiAlN的硬度高于TiN涂层，热导率低，隔热效果强，适用于干式切削等恶劣加工条件[5]。但CrAlN涂层与TiAlN涂层相比，CrAlN 基于涂层在改进氧化和耐磨性方面有更大的潜力，因此近来许多研究致力于富含铝的AlCrN PVD涂层。纳米复合CrSiN涂层兼具抗粘附性和耐磨性，其CS涂层纳米超晶颗粒，或者是富含硅的非晶体构成的复合物。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆故润滑性和硬度较好，应用于切削加工中可解决积屑瘤粘附和脱落现象，降低了工件表面粗糙度，提高了刀具使用寿命，这些涂层对于刀具和机械部件特别有用，并且是其他摩擦学中的保护涂层应用[6]。
随着新型材料在机械加工行业的应用，涂层的发展可进一步解决难切削、难加工材料的难题。如多元涂层、纳米复合涂层、功能梯度涂层等的出现及发展，因综合了各种材料的优异特征，在当前刀具涂层中占有很大的优势地位。
2涂层的制备技术
目前经常使用化学气相沉积和物理气相沉积（CVD和PVD）涂层来提高金属切削刀具的力学性能和被加工零件的加工精度。化学气相沉积（CVD）技术是 依据载体气体的离散分解及热能而产生沉积物质,此技术应用于硬质合金刀具中已得到了显著地效果,还可进行批量生产。可由计算机自动控制工艺步骤来制备碳氮化钛、三氧化二铝、多元涂层及多层复合涂层。存在工作压力高,成膜速度快,良好的镀膜绕射性, 且膜层纯度高、膜/基结合力好,沉积的涂层表面平滑、质量高等优点[7]。物理气相沉积法类似于化学气相沉积法,但物理气相沉积的沉积温度是在500℃左右。PVD技术最初在高速钢上应用,后来也应用于硬质合金刀具上。相比化学气相沉积法侧重于制备多层涂层,而物理气相沉积法则可应用于是单涂层与多层涂层[8]。物理气相沉积（PVD）硬涂层提供了降低塑料熔体和机械部件部件之间的粘附性和抗磨损的潜力，因此，作为重要的涂层制备技术来沉积涂层。
3刀具涂层研究展望
作为应用于刀具上的涂层材料，能否延长刀具的使用寿命始终是机械加工行业最急需解决的问题。这就需要通过不断地研究与了解涂层材料的发展与现状，通过良好的制备技术设计合理的涂层工艺，制备出具有优异综合性能的刀具涂层。综上可知，仅具有较高的硬度并不能使具涂层的综合使用性能得到提高，而重要的应用性还包括是否具有低摩擦系数和自润滑性质的硬质涂层。这就促使涂层材料朝着多元化、梯度化、多层化方向发展。刀具涂层材料的制备工艺与最新发展状况，能为涂层材料的应用与研究提供理论支撑和一定的参考价值。
参考文献
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论文作者:张姣姣1，王铁钢1*，阎兵1*，郭玉垚1
论文发表刊物:《科技中国》2017年12期
论文发表时间:2018/5/2
标签：涂层论文; 刀具论文; 材料论文; 加工论文; 技术论文; 气相论文; 硬度论文; 《科技中国》2017年12期论文;