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刀具涂层制备方法及应用摘要：随着科学技术的发展，难加工材料的使用越来越多，为了适应这一要求，现代机械加工工业正朝着高精度、高速切削、干式切削技术、绿色制造以及降低成本等方向发展，也因为如此，人们对制造用刀具提出了更高的要求。涂层刀具有高硬度和优良的耐磨性，延长了刀具的寿命。当前刀具涂层制备方法主要包括化学气相沉积和物理气相沉积，刀具涂层的种类也日益丰富。涂层刀具的发展呈现涂层成分多元化，涂层结构多层化，涂层基体梯度化和涂层工艺灵活化的趋势。目前刀具涂层的制备也存在许多不足之处，主要体现在相关技术的研究不够深入方面。本文就刀具涂层的制备方法、刀具涂层制备问题以及刀具涂层的应用等方面进行了一些论述。关键词：刀具涂层 CVD PVD 绿色制造 清洁化生产1、前言随着科学技术的进步，难加工材料的使用日益增多，材料的力学性能不断提高，而且，对加工效率的要求也不断提高，传统的未涂层刀具常常不能适应新的要求。尽管目前常用的刀具如高速钢刀具（硬度66-70HRC）和硬质合金刀具（硬度89-93.5HRC）的硬度都很高，但是对于难加工材料的高效加工已不适用。虽然可以采取各种措施提高刀具材料的硬度与耐磨性，但同时必然带来刀具材料抗弯强度和冲击韧性的下降，即材料变脆，从而影响刀具的使用性能。在高速钢刀具基体和硬质合金刀具基体上涂覆一层或多层硬度高、耐磨性好的金属或非金属化合物薄膜（如TiC，TiAIN，Al203等）的涂层刀具，结合了基体高强度、高韧性和涂层高硬度、高耐磨性的优点，降低了刀具与工件之间的摩擦因数，提高了刀具的耐磨性而不降低基体的韧性。因此，刀具涂层技术是解决刀具材料中硬度、耐磨性与强度、韧性之间矛盾的一个有效措施。刀具涂层是一种耐磨涂层，其特性要求是：耐磨性好、硬度高、化学稳定性好、摩擦系数低、导热性及稳定性好。刀具涂层有类似于冷却液的功能，它产生一层保护层，把刀具与切削热隔离开来（因为难熔金属化合物有比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数），使热量很少传到刀具，从而能在较长的时间内保持刀尖的坚硬和锋利。表面光滑的涂层（软涂层）还可以减少摩擦来降低切削热，保持刀具材料不受化学反应的作用，因为在大多数高速干切削中，高温对化学反应有很大的催化作用。通常软涂层和硬涂层作复合涂层，形成一个多涂层刀具，既有硬度高、耐磨性好的特性，又有摩擦系数小、切屑易流出的优点，有优良的替代冷却液的功能。在干切削技术中，刀具涂层发挥着非常重要的作用。2、刀具涂层常用制备方法刀具涂层的制备方法有很多包括气相沉积、热喷涂、化学热处理、热反应扩散沉积、溶胶凝胶等。气相沉积应用比较多，制备涂层质量好，己经逐步成为刀具涂层制备方法的主导。气相沉积技术分为化学气相沉积（chemical vapor deposition CVD）和物理气相沉积（physical vapor deposition PVD）2.1化学气相沉积（CVD）CVD即化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition)法是利用金属卤化物的蒸气、氢气和其它化学成分，在950～1050℃高温下，进行分解、热合等气固反应，或利用化学传输作用，在加热基体表面形成固态沉积层的一种方法。图1 CVD涂层技术采用CVD表面涂层技术，可在各种硬质合金、各种工具钢、模具钢、合金钢零件表面牢固地涂复一层碳化物、 氧化物、 氮化物、 硼化物、 硼化物等超硬材料，从而可使刀具、 模具、 机械零件获得高韧性、 耐磨损 、抗腐蚀等优良的复合机械性能，提高使用寿命2~6倍，有的甚至可达十几倍，同时，可提高生产效率50%以上。利用化学气相沉积法制备耐磨涂层在金属切削用刀具行业中应用非常广泛，如在刀具基体上沉积TiN，TiC，Ti(CN)，TiSiN，TiSiCN，TaC，ZrN，HfN，Al2O3，TiB2等，与其他薄膜沉积技术相比，CVD法具有设备简单、适合涂镀各种复杂形状的部件、涂层与基体结合强度高等优点。与物理气相沉积（PVD）法相比，从工艺上讲它最突出的缺点是沉积温度太高，给刀具带来了一些性能上的缺陷，如刀具切削刃需经过钝化预处理，刀具表面易出现残余拉应力，且不能用于高速钢刀具表面涂层，因为沉积温度超过了高速钢的相变温度（约560℃）。为解决CVD工艺温度高的问题，低温化学气相沉积（PCVD），中温化学气相沉积（MT-CVD）技术相继开发并投入实用。目前，CVD（包括MT-CVD）技术主要用于硬质合金可转位刀片的表面涂层，涂层刀具适用于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。2.2物理气相沉积（PVD）物理气相沉积是利用某种物理过程，如物质的蒸发或受到粒子轰击时，物质表面原子的溅射等现象，实现物质原子从源物质到沉积涂层的可控转移过程，是在分子原子的尺度上沉积涂层。与CVD涂层技术相比PVD涂层技术有以下几