刀具涂层应用的新发展

每三项切削刀具方面的专利中，就有一项专利提出与涂层技术相关的主要权利要求。不仅如此，涂层还是制造工程的最大推动力之一。涂层对刀具性能有着重大影响，可大幅度提高刀具性能。

AlTiN涂层在存放过程中的硬度下降

最近数年来，（Ti、Al）N基涂层赢得了越来越高的市场份额。当然，与高速钢刀具相比，硬质合金涂层刀具的市场份额增长幅度更大，原因在于在高温和高切削参数下，高强度更为重要。

2000年，日本的一份刊物对此提出了猜疑：在常温下，即使无外部影响，（Ti、Al）N基涂层也会出现硬度和强度下降。这一猜疑虽未得到明确证实，但是怀疑态度却一直未能消除。

突破AlTiN涂层的局限性

事实上，铝含量过高（大约超过65%）时，AlTiN涂层的物理特性会下降。这些物理局限性可通过以下方式予以克服：

– 增加铬、钇、硅等耐热合金元素，形成AlCrN、TiAlYN、TiAlSiN涂层；
– 采用 (TiN)/(Si3N4)、(TiAlN)/(Si3N4) 或 (AlCrN)/(Si3N4) 等纳米复合结构。

新型涂层— —纳米复合材料

通过沉积完全不同的材料，各种成分（一组中的Ti、Cr、Al和另一组中的Si）不能实现完全混合，形成两个物相。纳米晶体型TiAlN或AlCrN颗粒嵌入非晶体Si3N4基体中。在高速切削和乾式切削情况下，这一纳米复合结构可大幅度提高涂层的物理特性和性能。

 

图1　通过纳米复合结构提高硬度

图1中，通过类比，充分说明了纳米复合结构形成的硬度升高。通常情况下，在海滩上在乾沙中会下沉。在湿沙中，脚不会下沉，或下沉幅度较小，原因在于沙粒之间的空间已被水填充。与此类似，纳米复合结构表面具有更高的耐性，硬度也随之提高。

图2　纳米复合结构，将亚稳偏析推迟到更高的温度

除了提高硬度之外，纳米复合涂层显示的最大优势在于能大幅度提高耐热性。与采用非纳米复合涂层相比，亚稳态偏析及由此而产生的硬度下降会在更高的温度才发生（图2）。

– 与AlTiN涂层相比，大约高200-300°C；
– 与AlCrN涂层相比，大约高100°C。

另外，还有迹象表明，1200°C时硬度下降是由于硬质合金的钴扩散所致，而非纳米复合涂层所致。因此，由于硅“粘结剂”硬度提高、耐热性和韧性增强，纳米复合结构涂层不仅能与PVD涂层抗衡，还可与厚型CVD涂层形成竞争。