１前言 在目前的机械加工中，高速切削、硬切削、难加工材料切削、精密切削和干切削是经常遇到的切削加 工方法。这些方法提高了切削效率，保护了环境，提高了产品竞争力，但也同时给刀具提出了更高 的要求。使用更耐磨的涂层刀具，是生产中目前解决上述问题的最有效办法之一。因此，我们需要 了解各种涂层的性能，及它们对切削过程的影响，并找出适合于特定切削加工所需的涂层刀具。２涂层的性质为了选择或开发合适的刀具涂层，需要首先澄清特定加工中刀具磨损的主要机理以及选择耐该种磨损 涂层。大量研究表明，选择合适的涂层可从两方面影响刀具的寿命。一是提高刀具耐磨性；二是改 善切削中刀具与工件已加工表面和切屑的接触条件。进而减缓刀具磨损的表面效应（磨粒磨损、粘 着磨损、氧化磨损和扩散磨损）和体积效应（裂纹形成、擦伤和塑性变形）。这里需要指出的是， 扩散开始在刀面出现，进而也影响刀具内部，产生体积效应。体积做应作用的最后结果是疲劳，使刀具产生破碎。合适的涂层可直接（硬度高）和间接（摩擦）延长刀具的使用寿命。２．１涂层结构刀具涂层结构决定着它的耐磨性和摩擦状况，因此为满足特定的加工要求，首先选择合理的涂层结构 。对结构影响的主要因素为：ａ．涂层材料；ｂ．涂复过程中涂层的沉积；Ｃ．单层到多层的结构设计。２．１．１涂层材料的种类及性能目前有四类硬涂层材料可供选用、最常用的一类为诸如 ＴＩＮ、ＴＩＣ和 Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）这类钛基涂层材料。金属相中也常添加其他金属，如 ＡＩ或 Ｃｒ可提高其硬度和抗氧化性。这方面最成功的当属（Ｔｉ，ＡＩ）Ｎ涂层。第二类为像ＡＩ。Ｏ。 这样的陶瓷涂层。最近几年又出现了两类适用于刀具的新涂层，一类是以ＣＶＤ金刚石为代表的超硬涂层，另一类是无定形金属碳Ｍｅ－Ｃ： Ｈ这类固体润滑涂层。 此外，近年来也引人了一些软涂层，涂复在硬涂层上面，以减小摩擦和磨损，例如Ｍ。Ｓ。或纯石墨。由于在摩擦负荷下有自抛光效应，硬度有点高的ＷＣ／Ｃ也被计人该类涂层。 钛基涂层得到广泛使用，主要是由于在涂复过程中采用适当的沉积速度可获得良好的力学和热学性能 ，且对常用刀具的基体有良好的粘着性。陶瓷涂层具有良好的抗磨粒磨损能力和较好的热稳定性。 除ＡＩ。Ｏ。外，在金属切削刀具上很少用这类涂层，这是因其脆性以及对刀具基体的粘着性较差。此外，一些ＰＶＤＩ艺也不适合沉积陶瓷涂层。 由于在金属切削中扩散磨损是十分严重的磨损，涂层材料的选择必须考虑这一问题。为使产生扩散磨 损的温度更高，所选涂层材料形成的培必需尽可能为负值。若比较不同材料的烙，可以推断在切削 钢时，ＴＩＣ、ＨｆＣ、ＺｒＣ等比ＷＣ更适合作涂层材料。此外，除去涂层ＣｒＮ，许多氮化物在高达１５００℃温度时可作涂层使用。一些氧化物也非常稳定，适合作刀具材料。为适应摩擦应力的变化，金属涂层的高温性能很重要。高温时（Ｔｉ，ＡＩ）Ｎ涂层上可能形成的ＡＩＯ。和ＴＩＯｘ，可帮助提高涂层的抗摩擦氧化保护能力。 某些特殊的效应，如冷却润滑液使刀面变温而对不同涂层材料产生的影响仍在研究之中。２．１．２涂复工艺的影响 涂层的形态主要取决于所用的涂复工艺。刀具涂层的相关工艺粗略可分为ＣＶＤ和ＰＶＤ。该两种工艺可进一步详细划分，每种方法影响着涂层结构和涂层刀具的摩擦性能。 ＣＶＤ工艺的主要特点是在沉积涂层时基体温度高。涂层时的高温增进了ＨＳＳ基体的退火作用。由 于形成脆的ｑ相（ＣＯ。Ｗ，乙），也影响了硬质合金基体材料的韧度和横向断裂强度（ＴＩＳ）。使用在约１１００℃下的标准 ＣＶＤＩ艺，可能使强度降低约３０％。该问题可用在８５０ Ｔ涂层温度下的中温（ＭＴ－ＣＶＤ）工艺来解决。中温工艺的其他优点是，由于在８５０℃时材料 膨胀少，可进一步减小应力，且有效地提高韧度。在刀面添加钻，被认为是可提高ＣＶＤ涂层刀具ＴＲＳ的另一有效方法。ＰＶＤＩ艺通常在 ２００－５００ Ｔ下进行，对涂层材料的ＴＲＳ绝无实质影响。在ＰＶＤ工艺中，形成涂层的材料需首先蒸发，并随 后凝结到刀具基体上。另外一些涂层材料成分可用反应气体添加。蒸发涂层材料所用方法，是特定ＰＶＤ工艺的重要特点。它可通过加热，电子束或用处理气体（常用氟）溅射加速靶来实现。这三种ＰＶＤＩ艺（蒸发、溅射和离子镀）的区别，是根据施加于蒸发粒子上的能量不同划分的。在离子镀 中实行的高离子化，可以用来改善刀具涂层的主要性能，如硬度、涂层基体粘结性、结构以及化学 和热稳定性，因此常使用负偏压加速由靶到基体的粒子束。常用的离子镀（ＩＰ）工艺有弧离子镀 （ＡＩＰ）、磁离子溅射（ＭＳＩＰ）、高离子化溅射（Ｈ·Ｉ·Ｓ’”）和低压弧放电（Ｂａｉｚｅｒｓ）。有人对各种ＩＰ得到的（Ｔｉ，ＡＩ）Ｎ涂层断面形态进行了详细分析。ＭＳＩＰ涂层ＡＩ／Ｔｉ比 为０．６时，具有针子比用格欺织，晶粒直径变化范围０．３－０．６卜ｍ。铝含量增加（ＡＩ／ Ｔｉ比为１．ｌ），导致形成更加致密。精细的柱状组织。这些柱体的端面为平面，而不是球面。铝量进一步增加（ＡＩ／Ｔｉ比为１．３），晶粒直径减小，且生成更小的致密柱状薄膜组织。Ｈ· Ｉ· Ｓ’”工艺与 ＭＳＩＰＩ艺相比，其离子化增强。不管铝含量多少，所有涂层横断面均是致密的，且无往状体，表 面更加光滑。随离子化增加，更多的氛和金属离子到达表面，到达表面离子的能量越高，得到的薄 膜越致密。ＭＳＩＰ和Ｈ·互·Ｓ’”涂层，在ＡＩ／Ｔｉ比约为ｌ．０时，达到它的最高硬度。可以发现，Ｈ· Ｉ· Ｓ’”涂层的显微硬度提高与ＡＩ／Ｔｉ比无关。涂层的显微硬度与其组织密切相关。得到的组织越致密，薄膜的显微硬度越高。铝量增加显微硬度降低，可用软的和六角 ＡＩＮ相（一１０００ ＨＶ。；）含量较多来解释。２．１．３单层与多层涂层的影响 单层与多层涂层在生产中均有广泛应用。但有３个主要原因，使硬涂层的多涂层更加引人注意。 ａ．某些涂层材料对基体有良好的粘着性，它们常用来作基体和实用硬涂层之间的界面层，例如通常ＣＶＤ ＴＩＣ－ＡＩ。Ｏ。－ＴＩＮ涂层中的ＴＩＣ。 ｂ．某些多层设计，可提高整体涂层的力学性能，如硬度和韧性。由于某些钛基涂层具有较大的残余 应力、纳米层组织、甚至超点阵组织，常被用来提高韧度。因此多涂层在保证粘着性好的情况下， 可得到较大的涂层厚度。使用众多的交替层ＴＩＮ和（Ｔｉ，ＡＩ）Ｎ，得到的涂层具有（Ｔｉ，ＡＩ）Ｎ的全部优点，粘着好、韧度高。各层之间的大量界面，也可阻止裂纹的发展；ｃ．多层设计也可实现不同涂层材料的功能组合。使用具有不同功能中间层的多层涂层。能够由中间层提供高温稳定性，由外层提供高硬度，加上软外层或固体润滑层的作用，从而使摩擦因数减小。如果渐变层用多层来解释，他们可设计用于两个不同的目的，一个是使涂层和基体粘结逐渐平滑转变。另一个是满足涂层表面特殊性能要求。 经常要求的涂层性质，尤其和功能中间层相关的是对基体的绝热。对 １５卜ｍ厚的（Ｔｉ， ＡＩ） Ｎ涂层热学性质分析表明，无论是对温度场及最高温度，或对热增加的延迟，在基体表面和深０．３ ｍｍ处均无明显影响，小的热透射系数同样对基体温度绝无影响，相反使涂层本身承受高温负荷。这 种情况容易从相应的温度曲线推断出来。此外，在涂层基体界面处较小的热透射系数，以及涂层材 料较小的导热系数，使涂层有较高的最高温度。也有人建立了相应的数学模型，研究多层涂层时的热效应作用。２·２综合作用的结果在涂层和基体之间，以及涂层工艺和涂层间，发生了许多相互作用，决定了刀具的性能。这些作用取决于在涂层中的超点阵单层晶格结构。有人研究了ＴＩＮ／ＡＩＮ超点阵的 Ｘ射线衍射图，周期分别为人二３０ｕｒｎ和人二 ２． ｓｕｍ。对于周期人一 ３０ｕｒｎ超点阵，ＴＩＮ和ＡＩＮ（ＮａＣＩ一型）的衍射图是相同的。但是，对周期人一 ２． ｓｕｍ的 ＡＩＮ，衍射是不同的。仅存在一种衍射圈，它等同于面心立方结构，且排在ＴＩＮ和ＡＩＮ（ＮａＣＩ一型）之间。结果使人想到，人一 ２． ｓｕｍ的超点阵ＡＩＮ，转变为立方结构（ＮａＣＩ一型），且ＴＩＮ和ＡＩＮ相互畸变。在上述的研究中也确认，随超点阵周期的减小，硬度增加。在周期２．５ ｕｒｎ时，硬度达到最大值约为４ ０００ ＭＰａ，它为ＴＩＮ单层薄膜的 １．６倍。周期为 １３ ｕｒｎ时，硬度值仅约 ２ ７００ ＭＰａ。 另ｇｈｔｅ：）Ｒ的性质，受剧就馆验往何作用，尤其是粘着性的影响，这对涂层刀具的摩擦性能赋ｕ重要。 对基体采用不同的预处理方法，可改善涂层基体的粘着性。有人用球压试验研究了硬质合金基体ＰＶ Ｄ－（Ｔｉ，ＡＩ）Ｎ涂层时，用磨削、水喷、微喷基体后对粘结的影响。评估围绕球痕周围碎裂 的涂层材料，得到微喷和水喷两者可明显改善涂层和基体的粘着性的结论。微喷时使用的喷射材料具有小的颗粒尺寸是重要的，低压有更好的效果。在基体和ＣＶＤ硬质合金涂层的粘结中，存在着Ｃ。和Ｗ由基体向涂层的扩散。由大进给量切削实验 表明，这些元素适当地扩散到涂层中，得到了良好的粘着性。研究分析表明，如果在涂层基体界面处，ＴＩＣ或Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）层具有粒状结晶，上述元素扩散更严重。另外，也应考虑涂层刀具表面和亚表面的残余应力，它影响着刀具抗机械应力的性能，在断续加工中 这点更重要。ＣＶＤ涂层呈现为拉应力，ＰＶＤ涂层为压应力。ＰＶＤ涂层应力的特性，和通常较薄的涂层厚度（２－５ｐｍ）相结合，使刀具强度、断裂韧度和粘结强度较好。ＣＶＤ－ＡｌｔＯ３涂层与ＣＶＤ－Ｔｉ（ Ｃ，Ｎ）和ＣＶＤ－ＴＩＮ涂层相比，前者产生的应力较小。此外，涂复工艺对涂层和基体材料残 余应力的影响是，当预处理时，磨削影响基体的应力值。抛光可以除去磨后ＷＣ基硬质合金的变形和受影响的亚表面层，同时可几乎完全消除残余应力。在涂层之前微喷基体表面，在硬质合金上可诱发不同的应力。粗粒微喷引起强烈局部塑变
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