涂层刀具的切削性能及其应用动态(3)
3、多元多层复合涂层刀具的切削性能
3.1、简单多层复合涂层刀具
多元涂层与基体的热膨胀系数和弹性模量存在差异，在结构和性能上的匹配性较差，刀具往往会过早失效。多层梯度结构能极大地缓冲这些缺陷，增大涂层与基体的结合力；多层界面可打断柱状晶的生长，阻碍裂纹的扩展，提高表面的硬度；涂层和过渡层组成了稳定的耐磨损耐冲击强化区，提高了韧性，从而使涂层的使用性能增强。目前，应用得较多的是层数在2～7之间的涂层刀具。
最早的多层涂层刀具是由TiN、TiC和Ti（C，N）组成的，每层涂层厚为数微米。TiC／TiN双涂层刀具兼有TiC的高硬度和高耐磨性，并有TiN良好的耐冲击性和良好韧性，涂层与钢之间的摩擦系数小，抗氧化温度达700℃左右，它能满足高强度钢的高速精加工要求。TiN／Ti（C，N）双涂层能提高刀具的使用寿命、耐蚀性及抗开裂性。它的丝锥攻削铸铁件螺孔，攻丝效率平均提高5．59倍；它的高速钢钻头钻削40Cr钢，切削寿命比涂TiN的钻头长3倍。
A12O3涂层有很多优良的性能，但Al2O3。与基体的结合强度较差。由于TiC、TiN的热膨胀系数接近基体，所以常用作多层涂层的底层。美国Carmet公司生产的牌号为54S的刀片是在含有TiC的基体上涂5/μm厚的Al2O3涂层，其抗后刀面磨损性能优于TiC和AI2O3涂层，用于高速切削时具有良好的切削性能。
刘建华等采用多弧离子镀方法，在YG6、YTl4硬质合金基体上沉积ZrN／TiN复合涂层，涂层刀具切削力降低了20％；提高了涂层刀具的耐磨性能，有效地缓解了硬质合金刀具的后刀面磨损。
三涂层的组合方式很多，例如TiC／Ti（C，N）／TiN、TiC／TiN／Al2O3、TaC／TiC／TiN等，它们都是利用各涂层的优点，根据不同的切削条件组合而成的。最常见的是TiC／Ti（C，N）／TiN涂层，它的切削及耐磨性能好于TiC／TiN双涂层，大多数涂层刀具厂家都有这种涂层刀具。Sandvik公司的GC415刀片是TiC／TiN／Al2O3涂层，其抗磨损能力优于Si3N4。日本不二越公司开发的SG新型涂层，其结构为TiN／Ti（C，N）／Ti，它的结合强度高，表层为Ti系特殊涂层，具有极好的耐热性。
黄元林等在LF6防锈铝的基体上采用多弧离子镀技术沉积了Ti（C，N）／TiN／Ti（C，N）／TiN／Ti（C，N）／TiN6层涂层，它的结合强度良好，耐磨性提高了10倍以上。
3.2、纳米复合涂层刀具
近几年来，随着纳米技术和涂镀工艺的发展，纳米复合涂层刀具已引起了广大研究者的关注。尽管这些涂层大多是实验室的结果，但它们显示出了良好的切削前景，将是今后涂层刀具的应用热点。21世纪以来，TIN／（Ti，Al）N、TiN／Ti（C，N）、TiN／CrN等纳米复合涂层刀具已在世界发达国家中逐渐实现了商业化，使用寿命延长了近10倍。
住友公司开发的ACl05G等牌号的刀具是TiN／AlN纳米复合涂层，层数可达2000层，每层厚度约为lnm。这种涂层的硬度接近CBN，抗剥离性强，而且可显著改善刀具表面粗糙度，其寿命是TiN、（Ti，Al）N涂层的2～3倍。Balzers公司的FU—TUNANANO和FUTUNATOP刀片是2种（Ti，Al）N纳米复合涂层，其硬度约为3300HV，氧化温度为900℃。（Ti，AI）N还可与其它涂层组成复合涂层，目前（Ti，Al）N／Al2O3涂层已研究成功，其硬度可达4000HV，涂层数为400层，单层厚度为5nm，切削性能优于TiC／Al2O3／TiN涂层刀具。CemeCon公司利用磁控溅射生产的（Ti，Al）N／Al2O3。涂层，温度低于450℃，在高性能合金材料上取得了满意的结果。日立公司开发的（Ti，Si）N纳米复合涂层刀具，其加工效率可提高2倍以上。同时，该公司还开发了适用于软钢加工的（Cr，Si）N纳米复合涂层刀具。三菱综合材料神户工具采用先进的单相（A1，Ti，Si）N纳米复合涂层技术生产的立铣刀，氧化温度达到1300℃，与基材的结合力达l00N，可大幅延长刀具的寿命。
4、结语
涂层刀具在切削加工中的应用效果十分显著，特别适用于高速切削、干切削及难加工材料的加工，尤其是在数控机床及自动线加工中经济效果显著。涂层刀具延长了刀具的使用寿命增大了机械加工的切削用量，提高了工件的表面质量，改善了切削环境。多元多层复合涂层刀具，尤其是纳米复合涂层刀具可以发挥多种材料的优点，大大提高了刀具的切削性能和耐磨性能，成为刀具涂层体系中较完美的设计，并为超硬涂层在刀具业上的扩大应用提供了广阔空间。目前，国外先进的涂层刀具技术已经发展到了第5代水平，而国内还仍在第2代技术水平上，比国外的技术落后l0年左右。我国涂层刀具的理论研究基本上与国外接轨，但如何指导工业化生产及进一步进行新技术的研发必须引起我们的思考和重视。
