涂层刀具的切削性能及其应用动态(2)
2、多元复合涂层刀具的切削性能
单涂层刀具由于基体与涂层两者的弹性模量及热膨胀系数相差较大，晶格类型也不尽相同，导致残余应力增加、结合力较低。在单涂层中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高耐磨性，加入Si提高硬度和抗化学扩散）制备出多元复合涂层，可降低涂层的成分离析效应，并明显提高涂层刀具的切削性能及耐磨性能。
2.1、Ti（C，N）系涂层刀具
Ti（C，N）涂层兼有TiC的高硬度和TiN的良好韧性，在涂镀过程中可通过连续改变C和N的成分来控制涂层的性质，形成不同成分的梯度结构，减小涂层的内应力，阻止裂纹扩展，减少崩刃。Ti（C，N）涂层刀具有效地控制了脆性l相的生成，提高了刀具的耐磨性及韧性。Ti（C，N）高韧性涂层刀具特别适用于铣削、攻牙、冲压、成型及滚齿的加工，在高速切削时比YTl4、YTl5硬质合金刀具的耐磨性高5～8倍。近年来，以Ti（C，N）为基的四元成分新涂层材料，如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等也纷纷出现。
成都工具研究所开发了我国首创的Ti-C-N-O-A1和Ti-C-N-B2个系列的高性能涂层，具有优异的机械性能和切削性能，主要用于汽车刀具及Hertel系列螺纹梳刀片上。
2.2、（Ti，Al）N系涂层刀具
（Ti，Al）N涂层既具有接近TiC的高硬度、高耐磨性，又具有与TiN涂层相当的结合强度。当温度超过750℃时，Al元素使涂层的外表面形成一层极薄的非晶态Al2O3,从而形成硬质惰性保护涂层，可以阻止进一步氧化，大大提高涂层的抗氧化性。所以（Ti，Al）N涂层具有优于TiC、TiN、Ti（C，N）等涂层的机械物理性能，这使得它适用于高速切削和干式切削。
（Ti，Al）N涂层刀具能有效地用于连续高速切削，尤其适用于高合金钢、不锈钢、高硅铝合金、钛合金、镍合金等工件。在要求高耐磨性的条件下，TiN涂层刀具刚到磨损平缓区就超出切削要求而失效，而（Ti，Al）N涂层刀具经过平缓区后才开始磨损加剧而失效。又鉴于TiN涂层在高温性能方面所表现的不足，（Ti，Al）N涂层刀具有望部分或完全替代TiN，刀具寿命比TiN延长3～4倍。近年来，德国SGS、日本住友等国外著名刀具公司先后推出了（Ti，Al）N涂层铣刀，它们能直接高速切削淬硬钢，在淬硬钢的半精及精加工中发挥着巨大作用。实验证明，（Ti，AI）N涂层铣刀是目前高速铣削淬硬钢中最理想的刀具。
从环境保护的角度来看，迫切需要干加工技术的快速发展。（Ti，Al）N涂层刀具由于具有良好的红硬性、抗氧化性及比刀具基体和工件材料低得多的热传导系数，成为干切削加工中最好的涂层刀具。在高温连续切削时，（Ti，Al）N干式切削性能大大强虽于TiN。（Ti，Al）N涂层铰刀在干式切削和2倍常规切削速度的条件下，其断面磨损量远远低于（Ti，Zr）N涂层铰刀和ZrN涂层铰刀。
目前，在美、德、日等国家，（Ti，Al）N涂层刀具占所有涂层刀具的10％左右，且有上升趋势。例如，Kennametal公司的H7刀片和Balzers公司的X．CEED刀片都是（Ti，AI）N涂层。三菱公司的MIRACLE涂层是含Al丰富的（A1，Ti）N涂层，实现了对淬火钢的直接加工。另外，德国CemeCon公司开发的TiAlBN涂层，在加工过程中会产生“实时”现象，即通过8扩散形成BN、B2N3，从而得到有利于切削加工的润滑涂层。日立公司还开发了在高温下具有高硬度、高韧性及低摩擦系数的TiAlCN涂层，它们适用于车、铣、滚齿、攻牙及冲压等工艺。
2.3、（Ti，x）N系涂层刀具（X=Cr，Si等）
（Ti，Cr）N涂层由于Cr元素的加入使硬度提高到3200HV左右，并有利于提高基体与涂层的结合强度，使刀具在700℃时还具有良好的抗氧化性，（Ti，Cr）-N涂层刀具适合高速加工，切削速度可达400m／min以上，是一种很有发展前景的新型涂层。
（Ti，Si）N涂层刀具的抗高温氧化性能明显提高。日立公司开发的适于硬切削的（Ti，Si）N涂层刀具具有3500HV的硬度和ll00℃的开始氧化温度，使用寿命较TiN涂层刀具延长3～5倍。
2.4、（Ti，Al，X）N系涂层刀具（X=Cr，Si，Y，zr等）
向（Ti，AI）N中添加Cr、si、Y元素可以使涂层保持高硬度，而且还具有更好的抗氧化性能，氧化温度为950℃。当致密的保护性Al2O3膜形成以后，Cr能提高抗氧化性能，使涂层表面在高温下形成Cr2O3。等惰性氧化物和共价键AlN，这有利于刀具在高温下保持高的硬度、韧性和结合力。这些优良性能使（Ti，Al，Cr）N涂层刀具具有更好的切削性能和长得多的使用寿命，且端面磨损量远低于（Ti，Al）N。M2高速钢麻花钻经（Cr，Ti，Al）N涂层后，在于式切削条件下钻削45#钢、30CrMnSiA和D406A高强度钢时，钻头的寿命比未涂层的分别延长约l9倍、l5.2倍和6倍。
（Ti，Al，Zr）N涂层刀具的硬度进一步提高到3500HV左右，但加入Zr元素会在高温下形成ZrO，妨碍致密Al2O3防护层的生成，从而降低其抗氧化性。（Ti，Al，Si）N涂层刀具的氧化温度为1100℃，切削性能及耐磨性明显优于（Ti，Al）N涂层。目前，Teer公司已经将（Ti，Al，Cr）N、（Ti，Al，Si）N等涂层刀具用于对耐磨性、耐腐蚀性有较高要求的工件上。
2.5、其它非Ti基涂层刀具
日立公司以Cr元素代替Ti元素，开发出具有润滑性的（Cr，Si）N涂层刀具及具有超强耐氧化性的Al，Cr，Si）N涂层刀具。它们更适用于铝、不锈钢等粘结性强的材料加工。
Balzers公司开发的G6刀具是（A1，Cr）N涂层，它的性能明显优于Ti基涂层，具有3200HV的显微硬度，使用温度达到1000℃，韧性超过，Ti基涂层，可显著减小刀具的摩擦磨损，显著延长使用寿命，更适合断续切削和难加工材料的加工。BA-LINITAI_GRONA涂层是G6刀具的首种产品，该铣刀和滚刀适用于非合金钢、高强度和高硬度钢的干式切削，也适用于高热应力的加工。
