TiAlN涂层刀具的发展与应用

1引言

对刀具进行涂层处理是提高刀具性能的重要途径之一,随着涂层刀具的出现,使刀具切削性能有了重大突破。涂层刀具可以提高加工效率和加工精度,延长刀具使用寿命,降低加工成本。

自20世纪70年代以来,刀具涂层技术取得了飞速发展,涂层工艺越来越成熟。西方工业发达国家使用的涂层刀片占可转位刀片的比例已由1978年的26%增加到1985年的50～60%。新型数控机床所用切削刀具中有80%左右使用涂层刀具。瑞典山特维克公司和美国肯纳金属公司的涂层刀片的比例已达80～85%以上。美国数控机床上使用涂层硬质合金刀片比例为80%,瑞典和德国车削用涂层刀片已占70%以上。1981年～1985年期间,前苏联的刀具产量增加了16%、硬质合金刀具增加了29%,而涂层刀具则增加了5倍。涂层刀具己成为现代刀具的重要标志,并将是今后数控加工领域中最重要的刀具品种之一。

TiAlN涂层作为一种新型涂层材料,具有硬度高、氧化温度高、热硬性好、附着力强、摩擦系数小、导热率低等优良特性,尤其适用于高速切削高合金钢、不锈钢、钦合金、镍合金等材料。在要求高耐磨性的场合下,鉴于TiN涂层在高温性能方面所表现出的不足,TiAlN有望部分或完全替代TiN,因此,TiAlN涂层刀具具有极其广阔的应用前景。

自1985年Knotek等首次发表了关于TiAlN涂层的研究成果后,人们便对其优异的抗高温氧化能力和良好的使用性能表示了极大的关注,已经用多种PVD方法成功制备了TiAlN膜。由于TiAlN涂层的制备方法不尽相同,已见报道的TiAlN涂层的性能也有差异。表1是几种常用涂层的主要性能比较(数据来源于Balzers涂层有限公司)。

表1 几种涂层的主要性能比较 涂层材料 微硬度
(HV) 弹性模量
(GPa) 最大适用
温度(℃) 涂层结构 TiN 2300 260 600 单层 TiCN 3000 352 400 单层 TiAlN 3300 380 900 纳米结构

由表可以看出,TiAlN涂层具有高的硬度和氧化温度,随着涂层的多层化和纳米化,TiAlN涂层的性能正在逐渐提高。TiAlN的化学稳定性好,抗氧化磨损能力强,其硬度为3400～3600HV),耐磨性仅低于类金刚石膜,是目前国际工具行业最为推崇的超硬涂层。当Al含量超过50%时,为了区别于TiAlN,有人称其为AlTiN。AlTiN涂层的硬度随含铝量的增加而提高,铝含量可以超过65%；当铝含量提高后也会形成较软的AlN相,使其硬度降低,但是铝含量并不是影响硬度的唯一因素。AlTiN的硬度可达4500HV。目前TiAlN/Al₂O₃多层PVD涂层也已研究成功,这种刀具的涂层硬度可达4000HV,涂层数为400层(厚度5nm),切削性能优于TiC/l₂O₃/TiN涂层刀具。

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