利用纳米技术开发新型刀具涂层

　　很长一段时间以来，“纳米技术”在许多行业一直是一个时髦词汇。但是，在刀具涂层材料领域，纳米技术又意味着什么呢？纳米结构刀具涂层的发展近况如何呢？   

　　定义纳米尺度可能是一个不错的出发点。被普遍接受的纳米尺度定义是指100纳米（或更小）的尺寸数量级（1纳米是1米的十亿分之一）。

　　然而，对于刀具涂层而言，问题并非如此简单。尽管纳米涂层材料的特征尺寸的确符合100nm或更小的尺度，但人们正在利用新的涂层工艺和涂层材料为许多困难的加工生产切削刀具，在某些情况下，这些涂层刀具在使用寿命和加工性能上可能远远优于传统刀具。   

　　NanoMech公司的创始人兼首席技术官Ajay Malshe博士认为，利用纳米技术来开发刀具涂层，需要具备一种与基于化学合成的观念完全不同的思维方式，在上个世纪或更长一段时间里，材料科学的发展主要是由化学合成技术推动。   

　　Malshe博士表示，“我们基本上是以与利用化学方法相反的方式利用尺寸效应。关于材料特性的传统思维并不适用于纳米尺度。例如，对于刀具涂层而言，它可能意味着比传统材料硬度更高、强度更好的新材料，或者可能意味着在涂层上产生新的表面结构，使其可以在加工时充当一种微型断屑器。”   

　　CBN涂层的新进展   

　　作为NanoMech公司的子公司，Duralor公司已经开发出了在刀具表面沉积CBN复合涂层的纳米技术涂层工艺，并正在对其进行商业化应用。2008年时，这种CBN纳米复合涂层还处于初期开发阶段，在随后这两年时间里，Duralor公司专注于CBN涂层刀具的加工应用，并与选定的用户——据Duralor公司总裁Bob Reed介绍，大约有十几家——合作，对CBN涂层刀具进行商品化。   

　　Reed表示，“目前，我们重点关注用CBN涂层刀具加工硬度达HRC54的淬硬钢。用该涂层加工预硬钢和粉末冶金材料的效果也非常不错。”Duralor公司目前主要研究CBN涂层的连续车削加工，不过，今后几个月，该公司期望在用CBN涂层刀片和圆刀具进行断续切削的开发上取得进展。   

　　Duralor公司与阿肯色大学的研究人员共同开发的Tufftek工艺包括两个步骤：首先，在硬质合金基体上静电沉积CBN亚微米粒子；然后，利用化学气相沉积法（CVD），使TiN、TiCN、TiC或其他传统刀具涂层材料渗入CBN粒子。该技术能够沉积相对较厚（100μm以上）的涂层，但更典型的涂层厚度为20μm以下。   

　　Reed表示，与采用PCBN刀尖的刀具相比，CBN涂层刀具具有更大的成本优势，并且，由于CBN涂层具有使刀具寿命延长3－4倍的潜力，因此，与传统的多层涂层刀片的加工成本相比，也颇具竞争性。   

　　除了将CBN涂层的应用范围拓展到铣削和（如果可能的话）钻削加工以外，Duralor公司的研究工作还集中在采用不同的涂层材料渗入静电沉积的CBN粒子。该公司正在研究将CVD Al2O3作为可能的复合涂层材料，以及研究在复合涂层中加入具有润滑性的材料。   

　　Malshe博士解释说，“采用这种方式涂层的刀具将CBN纳米粒子与可为切削刃不断提供润滑的润滑材料（如二硫化钼）结合起来。因此，我们这种沉积工艺实际上是一种技术平台，能以采用传统的CVD或PVD工艺不可能实现的方式，将不同的涂层材料和涂层结构结合在一起。”

　　HPPD纳米涂层的应用   

　　另一种纳米涂层新工艺是Rushford Hypersonic LLC公司开发的超音速等离子体颗粒沉积工艺（HPPD）。该公司总裁Daniel Fox解释说，“这种沉积工艺的基本原理是，将材料分子分离为其基本形态，从而在等离子体流中产生反应物。然后，通过成核过程，重新组合这些物质，并将组合成的材料分子加速到8倍音速以上（大约6,000英里/每小时），使其沉积到基体上。”   

　　Fox指出，这种粒度为2－20nm的纳米颗粒在高速撞击基体时，会发生相变，并与基体形成化学结合，其结果是形成具有优异的粘附性、高硬度、高断裂韧性的单层薄涂层。他说，“我们的涂层通常具有高于37GPa的硬度和超过3.1MPa的断裂韧性。而且，我们对纳米粒子粒度分布的控制越精确，获得的涂层断裂韧性和硬度就越高。在今后6个月内，我们预计可使涂层的断裂韧性达到6MPa，硬度超过50－60GPa。”

　　Rushford公司正在采用HPPD涂层工艺生产SiC涂层，同时准备在这种沉积工艺中添加钛和硼元素，从而获得TiC、TiN、BN和BC涂层材料。

　　与Duralor公司类似，Rushford公司也在与用户合作，研究HPPD涂层刀具在实际加工中的应用。Fox表示，“我们一直在与用户合作，在主要用于钻削加工的各种高速钢基体材料上使用这种涂层，不过我们也在研究将其应用于硬质合金车刀片和铣刀片上。”该公司还在对HPPD涂层在提高刀具寿命和其他方面的作用进行定量研究。   

　　Fox认为，HPPD涂层刀具的主要优势之一，是其拓展干式切削加工范围的能力。他说，“这种不需要冷却液的加工能力可使切削加工在本质上变得更绿色。目前，在环保法规严格的欧洲，这一点至关重要，而在美国，也将变得越来越重要。我们正在与用户合作，将这种涂层与刀具几何结构和基体材料的优化结合起来，以满足干式加工的要求。”   

　　纳米复合涂层的优势   

　　NanoMech公司和Rushford公司采用非传统的涂层工艺来沉积一些相对而言非传统的涂层材料。不过，将两种或多种涂层材料组合到一起，形成具有更优异特性的纳米复合涂层材料的创新理念也被应用于一些更传统的刀具涂层材料。   

　　Platit公司就是这种复合涂层、沉积工艺和涂覆设备的主要开发企业之一。该公司开发的PVD纳米复合涂层是将纳米晶粒的TiN、CrN、TiAlN或AlTiN涂层与非晶SiN材料组合到一起。该涂层包括一个粘结层、一个单一材料或梯度材料的核心层，以及一个纳米复合材料的顶层。该涂层体系的总厚度为2.72μm。这种纳米复合涂层具有广泛的适用性，但尤其有益于高效切削加工。   

　　该涂层的特点是将纳米晶粒的TiAlN、AlCrN或AlTiCrN颗粒嵌入非晶SiN基底中。这种安排可以防止沉积时晶粒长大，并使涂层硬度保持在50GPa以上。用Platit公司采用侧面或中央旋转阴极技术的PVD涂层设备沉积的刀具涂层已在铣削、钻削、滚削以及其他类型的加工中进行了广泛的切削试验。结果证明，该涂层在钻削加工中的应用最为成功，原因在于增大了涂层厚度。在用直径5.2mm的整体硬质合金钻头在D-2工具钢上钻孔的切削试验中，与采用传统的TiAlN、AlTiN和Al-CrN涂层的钻头相比，采用纳米复合涂层的钻头刀具寿命提高了一倍以上。   

　　Swiss Tek涂层公司是一家采用Platit涂层设备的涂层服务商。该公司总裁Peter Bartos表示，该公司采用其Nano-Tek和Nano-Tek/Cr工艺沉积两种纳米复合涂层：用Nano-Tek工艺沉积AlTiN/Si3N4复合涂层；用Nano-Tek/Cr工艺在Si3N4基底上沉积AlCrN涂层。他解释说，“在其中任何一种工艺中，非晶Si3N4都填充了AlTiN或AlCrN纳米晶粒之间的空隙。”   

　　Bartos介绍说，纳米复合涂层用于整体式圆刀具以及螺纹加工、铣削和车削刀片，它们在该公司涂层业务中所占的比例在不断增大。他说，“该涂层的主要优势是非常高的硬度和优异的耐热性。采用传统的AlTiN涂层时，在这些性能上存在相当大的局限性，但纳米复合涂层材料突破了这些障碍。”   

　　Bartos指出，纳米复合涂层的氧化温度——涂层在空气中发生氧化并开始分解的温度点——为1,100℃－1,200℃。这一温度比性能最好的传统PVD涂层的氧化温度也要高得多，并且非常接近硬质合金基体的初始烧结温度。这种极好的耐热性使纳米复合涂层非常适合各种高效加工或高速加工。Bartos说，“我们发现，这种铬基涂层的适用范围比钛基涂层更广泛，它似乎更适合对淬硬钢进行硬铣削。”   

　　但是，与传统涂层相比，纳米复合涂层的成本要更昂贵一些。Bartos表示，“任何一种纳米复合涂层的价格可能都要比传统的AlTiN或TiAlN涂层高20%左右。不过，根据涂层类型的不同，涂层的成本可能只占刀具总成本的5%－15%，因此，纳米复合涂层刀具与传统涂层刀具在购置成本上不会有太大的差异。”   

　　纳米涂层刀具的前景   

　　多年来，刀具供应商和涂层服务商都很清楚，与单层涂层相比，多层结构涂层具有更好的强度和耐磨性。Harvey刀具公司已将这种理念应用于小直径立铣刀和钻头的纳米涂层领域。该公司主管设计的副总裁Jeff Davis表示，“多层结构能有效地控制裂纹的产生，即使产生了裂纹或剥落，它扩散到整个涂层结构的速度也要慢得多。”   

　　Harvey刀具公司开发的纳米涂层厚度通常为1－4μm，与之相比，其传统的AlTiN涂层厚度为2－5μm或更厚。Davis表示，由于纳米涂层材料的晶粒尺寸更细小，因此能制备出厚度更薄、粘附性和结构一致性更好的涂层。用纳米晶粒材料沉积出的涂层还具有更高的硬度和更佳的耐热性。Harvey刀具公司宣称，其纳米AlTiN涂层材料的硬度为45GPa，最高工作温度为1,150℃，与之相比，其传统AlTiN涂层牌号的硬度为35.5GPa，最高工作温度为760℃。   

　　涂层性能的提高，使纳米涂层刀具在难切削材料的加工中具有比传统涂层刀具更长的使用寿命。Davis表示，“或许纳米涂层的最佳应用领域是淬硬钢的铣削加工——此类材料的硬度大约从HRC45开始，可以达到极高的硬度水平，传统的TiN涂层刀具对它们无能为力。AlTiN涂层沿着正确的方向前进了一大步，而纳米涂层——加上正确的刀具切削刃制备、基体和几何结构优化设计——使用户能将刀具寿命从也许几秒钟提高到几分钟。”   

　　Davis表示，该公司下一步还将把纳米涂层应用于钻削加工，“如果你需要加工深度超过4倍孔径的孔，使冷却液到达钻尖处始终是至关重要的问题。你可以采取‘啄击’加工或其他方式，但纳米涂层可承受更高切削温度的能力将使这种加工受益无穷。”   

　　尽管如此，Davis仍然对纳米涂层刀具的应用提出了一些忠告：“纳米涂层与TiN涂层不同。TiN涂层可以用于任何刀具，而且都能提高其切削性能。而纳米涂层属于专用涂层，其适用范围较窄。我们将其用于硬铣削刀具、几种精加工刀具和一些可变螺旋槽刀具上。此外，还要再次强调，需要优化的不仅仅是涂层，还需要对刃口制备、刀具基体、后角和螺旋角、芯径等进行综合优化，才能在非常困难的加工中延长刀具寿命。”   

　　Swiss Tek涂层公司的Bartos认为，纳米涂层的应用范围还将进一步扩大。现在，这些涂层已向最终开发出可在几乎所有类型的切削加工中提高刀具寿命和生产效率的、神奇的通用涂层迈出了一大步。他说，“每个人都希望开发出一种‘万应灵药’式的纳米涂层—— 一种可以应用于铣削和钻削刀具、车削刀片、硬质合金和高速钢基体，并且在每种加工中都表现出色的涂层。当然，目前这种涂层还不存在，但这是我们开发纳米涂层技术和材料的努力方向。”

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