涂层刀具材料的种类详解

涂层刀具整体性能的优劣与基体材料及涂层本身的性能密切相关。常用的涂层基体材料主要是硬质合金、高速钢等，涂层材料主要有TiC、TiN、TiCN、TiAlN、Al₂O₃、MoS₂、金刚石等，涂层方式有单涂层及多涂层。涂层厚度通常在2～18μm之间，较薄的涂层在冲击切削条件下经受温度变化的性能比厚涂层要好。这是因为薄的涂层应力较小，不易产生裂纹。在快速冷却和加热时，厚涂层就像玻璃杯极快的加热和冷却一样，容易产生碎裂，用薄涂层刀片进行干切削可以使刀具寿命提高40%。表4-2是常见涂层的性能。

表4-2 常见涂层的性能

表4-3所示为各种常见涂层的散热特性。由该表可知，各种涂层的散热性能与TiN相比，TiAlN最好，TiC次之。因此，干切削加工刀具大都采用了TiAlN作为涂层材料（见表4-4）。

表4-3 各种常见涂层的散热特性

表4-4 用于干切削加工刀具的涂层

各种涂层材料的特性如下：

1.TiN涂层

TiN涂层是使用最广泛的刀具涂层材料之一。其常用的基体材料是高速钢。TiN涂层的硬度远高于高速钢，摩擦因数低，并且具有良好的韧性和很高的热硬性，能承受一定弹性变形的压力。其线胀系数与高速钢相近，在切削过程中当温度变化时，它们之间的热应力较低，具有良好的结合强度。TiN还具有良好的化学稳定性，耐腐蚀和抗氧化性，不易与被切削的金属发生化学反应。另外，TiN膜的制备方法简单，几乎可以用所有的物理和化学气象沉积法制备。

TiN涂层刀具主要用于高速切削或加工较高硬度的材料，如正火材料或调质材料的切削加工、锡青铜材料的滚切以及螺纹加工和钻削加工等。

2.Al₂O₃涂层

Al₂O₃涂层具有良好的力学性能，极好的热硬性和化学稳定性，因此，Al₂O₃涂层刀片具有良好的抗月牙洼磨损能力，刀具寿命得到了很大的提高。另外，Al₂O₃涂层具有低的热导率，且随着温度升高其热导率降低，这种特性在切削过程中，可阻碍切削热传递到刀具的切削刃，防止切削刃受热发生塑性变形导致突然失效。

Al₂O₃涂层主要用于硬质合金刀具表面，其涂层后的刀具兼有陶瓷刀具的耐磨性和硬质合金的强度，适用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃的场合，可用于铸铁和高速钢的切削加工。

例如，用Al₂O₃涂层刀片加工汽车铸铁刹车盘和刹车鼓等零件时，其寿命比TiC涂层刀片、金属陶瓷及陶瓷刀具要高2～4倍，比硬质合金刀具高6～8倍。在v_c=365～550m/min切削速度范围内，其性能可与陶瓷刀具相比。一般在Al₂O₃涂层与基体间增加一层TiN、TiC或TiCN膜，不但可以提高耐磨性，而且可防止高温下Co、W等元素从硬质合金基体中向涂层扩散，从而改善涂层与基体的结合强度。但中间层TiC作为脆性相，会降低膜的强度。

3.TiAlN涂层(www.xing528.com)

TiAlN涂层是一种较好的能适合高速干切削的涂层。TiAlN抗氧化温度高，刀具在切削时会产生TiAlN膜，具有较好的抗氧化性能，氧化开始温度为700～800℃，高于TiC、TiN等涂层的氧化温度。TiAlN在高温时比TiN硬度高，热稳定性好。其高温时产生的氧化膜（TiAlN膜）可改善刀具与工件、切屑的摩擦，减少热量的产生。此外，TiAlN涂层的热导率低于TiN等涂层，从而起到隔热作用，使刀具在干切削时能承受更高的温度。

4.AlTiN涂层

对于w（Al）超过50%的TiAlN涂层通常称为AlTiN涂层，以区别原来的TiAlN涂层。由于铝含量的加大，这种涂层具有很高的硬度和非常优异的耐磨性能，在刀具/工件接触区温度高达800～900℃时，AlTiN涂层仍能保持高硬度，因而被认为是下一代的耐磨新涂层。目前，已经有一系列的刀具w（Al）>65%的AlTiN涂层，例如，Carboloy公司的涂层w（Al）为67%，Ion Bend公司涂层w（Al）为70%，Ceme Con公司则在2002年7月开发了一种用于生产超级氮化物涂层的工艺，w（Al）达到80%。

AlTiN涂层刀具的理想加工速度为183～244m/min，主轴转速为20000～40000r/min或更高，但背吃刀量不宜过大。在这样的加工条件下，AlTiN涂层刀具可改善主轴受力状况，提高生产效率，获得良好的加工表面质量。

AlTiN涂层刀具是高硬度（>40HRC）、高耐磨性材料的高速加工及干式高速加工的理想刀具，可应用于铣削、钻削、车削等加工中。表4-5所示为AlTiN涂层与其它涂层的性能比较

表4-5 AlTiN涂层与其它涂层的性能比较

5.刀具表面的富氧TiAlN涂层

TiAlN比TiN涂层有更高的耐氧化性，主要是因为TiN在600℃时会产生氧化，而TiAlN在800℃时才开始氧化，并且由于氧化，在刀具表面形成致密的Al₂O₃膜，增加了TiAlN膜抗扩散和抗氧化能力。非合金化的Al₂O₃显微硬度比较低（1500HV0.05），但Al₂O₃刀具材料却具有高的耐磨损性，这主要是由于Al₂O₃中的α相具有良好的氧化稳定性和高的热稳定性。加入氮，可形成Al-O-N涂层，若再加入钛，则可形成富氧Ti-Al-O-N涂层，使涂层的显微硬度和耐磨损性得到进一步提高。因此，通过PVD沉积工艺形成的TiAlON涂层具有高的氧化稳定性，而且显微硬度提高很多，改善了刀具干切削加工时的耐磨损性。

单层TiAlON涂层由于界面之间存在氧化杂质，其显微硬度较低（<2000HV0.05），粘接强度不高。为了确保有良好的粘接强度和高的显微硬度，可采用TiAlN-TiAlON基的多层涂层。

德国汉诺威大学进行了将TiAlON涂层应用于在干式钻削中的研究，结果表明，涂层层数不同、涂层中的元素含量比例不同，涂层的耐磨性能也不相同。

6.氧化物PVD多涂层

氧化物涂层具有高的耐磨性和低的摩擦因数，可以最大限度地阻止热量传入刀具基体。常用的氧化物涂层有AlTiN-Al₂O₃、TiAlN-ZrO₂和TiZrN-ZrO₂，其主要性能见表4-6。

表4-6 氧化物涂层主要性能

例如：在SGI70（德国高强度球墨铸铁牌号）材料上钻削直径ϕ6mm、深18mm的不通孔。采用和湿切削相同的切削用量，切削速度为80m/min，进给量为0.35mm/r。采用5种不同材料，即非涂层刀具、AlTiN涂层刀具，其它三种是氧化物PVD多涂层刀具，刀具基体都是硬质合金，失效形式为切削刃的磨损宽度达到0.3mm。没有涂层的刀具，在钻削10个孔后，切削刃磨损就达到了0.3mm（切削长度0.2m），AlTiN涂层刀具切削长度可达4.5m；而氧化物PVD多涂层刀具则显示了良好的耐磨损性能，TiZrN-ZrO₂涂层刀具的切削长度可达7.2m，AlTiN-Al₂O₃涂层刀具切削长度可达16.2m，切削效果最好的TiAlN-ZrO₂涂层刀具其切削长度可达18.1m，是一般TiAlN涂层刀具寿命的4倍。