刀具涂层材料之多元涂层

　　单涂层刀具由于基材与涂层两者硬度，弹性模量及热膨胀系数相差较远，晶格类型也不尽相同，导致残余应力增加，结合力较弱。

　　单涂层加入新元素（如加入CrY提高抗氧化性，加入Zr、V、BHf提高抗磨损性，加入Si提高硬度抗化学扩散）制备出多元刀具涂层材料，大大提高了刀具综合性能。最常用多元刀具涂层TiCN、TiAlN涂层。TiCN涂层兼有TiCTiN涂层良好韧性硬度，它涂覆过程可通过连续改变CN成份来控制TiCN性质，并可形成不同成份梯度结构，降低涂层内应力，提高韧性，增加涂层厚度，阻止裂纹扩展，减少崩刃。

　　TiCN涂层技术不断地发展，九十年代期，温化学气相沉积(MT-CVD)新技术出现，使CVD技术发生了革命性变革。MT-CVD技术以有机物乙腈(CH3CN)作为主要反应气体，700℃以下生成TiCN涂层。这种TiCN涂层方法有效控制了很脆η相(Co3W3C)生成，提高了涂层耐磨性、抗热震性及韧性。研究表明：PVD沉积TiCN涂层时适当增加离子束轰击也可明显提高涂层硬度及耐磨性。近年来，以TiCN为基四元成分新涂层材料（如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等）也纷纷出现。

　　TiAlN涂层材料目前应用最广泛高速硬质合金刀具涂层之一，TiAlN有很高高温硬度优良抗氧化能力，涂层组成由原来Ti0.75Al0.25N转化为优先使用Ti0.5Al0.5N。Ti0.5Al0.5N涂层抗氧化温度为800℃，高速加工表面会产生一层非晶态Al2O3薄膜，对涂层起保护作用。目前人们将研究重点放对TiAlN涂层改进上，以满足应用领域对诸如抗氧化性能、热稳定性能及热硬度等需求不断提高。目前德国CemeCon公司采用高电离溅射技术(HIS®)获得先进TiAlN涂层，涂层与基体有极好结合力，避免了采用多弧离子镀技术时蒸发材料熔融状态以液滴形式沉积于工作表面现象，从而可获得表面非常光滑平整涂层。Balzers公司新开发X.CEED涂层也一种单层TiAlN涂层，具有优异红硬性抗氧化性，即使恶劣条件下，涂层与基体仍具有良好结合强度。三菱公司MIRACLE涂层含Al丰富（Al,Ti）N涂层，通过大幅提高膜硬度抗氧化性而实现了对淬火钢直接加工。

　　TiBN涂层基于TiNTiB2发展起来多元涂层，它既增强了TiN涂层硬度，又保持了良好韧性，避免了BN涂层TiB2涂层脆性，涂覆刀具耐磨性及抗腐蚀能力显著提高，且磨擦系数较低。CHeau等人过溅射Ti-B靶材沉积出Ti-B-N涂层结合力得以改善，且达到了44GPa显微硬度。CemeCon公司开发TiAlBN涂层，通过硼含量变化，加工过程产生所谓“实时”现象，即通过硼扩散，形成BN、B2N3，从而得到有利于切削加工润滑膜层。此外还有日立公司开发高温下具有低摩擦系数TiBON涂层。

　　TiN加入Si元素形成TiSiN多元涂层，其抗高温氧化性较单涂层TiN明显提高。日本日立公司开发适用于硬切削TiSiN涂层具有36GPa硬度1100℃开始氧化温度，此外日立公司还以Cr代替Ti元素，开发出具有润滑性，更适合用于铝、不锈钢等粘附性强材料加工CrSiN涂层以及四元具有超强耐氧化性AlCrSiN涂层。

　　Balzers公司另一具有代表性多元涂层以Cr元素替代Ti元素AlCrN涂层，称为G6，该涂层具有HV3200显微硬度，使用温度可达到1000℃，它韧性超过钛基涂层（如TiAlN、TiCN），更适合断续切削难加工材料加工。

　　成都工具研究所开发了我国首创Ti-C-N-O-AlTi-C-N-B两个系列共三种高性能多元复合涂层，具有优异复合机械性能优良切削性能，主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上。其他多元涂层材料还有TiMoN，TiCrN，NbCrN，NbZrN等。

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