TiAlN新型涂層對滾齒刀剛性和耐磨性的影響研究

廖曉文，賴香功

（贛州核力機械股份有限公司，江西 贛州 341000）

制造業是經濟發展的新動力，同時還為科學技術的進步提供優良裝備。其中，切削技術以及刀具行業分別是制造業中的基礎工藝和基礎工藝裝備。而隨著對工件的精度以及切削速度等要求的提高，普通刀具已不能滿足。因此新型涂層刀具的發展被行業重視，其中TiAIN型涂層因具有高硬度、低摩擦、耐腐蝕等特性被廣泛應用[1]。涂層刀具現已成為現代切削刀具的代表，更是今后數控加工領域中重要的刀具類型。本文主要研究TiAIN新型涂層對滾齒刀剛性以及耐磨性的影響。

1 TiAlN新型涂層

在切削加工技術中，常見刀具涂層均以TiN為主，自第一代涂層硬質合金刀片問世以來，涂層技術的研發對刀具未來的發展方向有深遠影響，其中TiN涂層高速鋼刀被譽為高速鋼刀性能的歷史性變革，而TiAlN新型涂層是在TiN的基礎上開發出來的[3]。兩者相比，TiAlN涂層比TiN具有更好的硬度、耐磨性、耐高溫氧化以及與基體之間結合力的優勢。

所謂涂層，就是在硬質合金或者高速鋼基體的刀具表面上通過物理氣相沉積（PVD）為其覆蓋上一層具有高硬度其耐磨的難融性金屬或者非金屬化合物。涂層技術是一項優質表面改性技術。

TiAlN涂層尤為適合高速切削高合金、不銹鋼、鈦合金、鎳合金等金屬，表現出獨特的優異性。TiAlN硬度為3200HV到3800HV，原理是原理是Al離子和O離子具有良好的化學親和性，鋁氧化形成Al2O3，刀具表面形成一層惰性保護膜，具有抗氧化和抗磨損的作用，極其適應高溫作業。通過PVD方法制備了TiAlN膜，多弧離子鍍通過加熱蒸發提取，磁控濺射通過轟擊靶材實現，兩者在實際應用中最為廣泛。

2 TiAlN新型涂層對滾齒刀剛性的影響

傳統不加處理的滾齒刀具，常常需要花費大量時間切削，由于耐磨性差，經常要更換刀具，與此同時也增加了企業成本，已無法滿足現如今工業的剛性需求，因此新型涂層的優化使用尤為重要。

切削過程中最明顯的特點是溫度高，當滾齒刀表面鍍上TiAlN涂層后，隨著溫度升高TiAlN涂層的晶體表面具有擇優生長的優勢，當氮流量發生變化的時候，這種擇優生長的趨勢更加明顯[1]。TiAlN屬于面立方結構，晶粒表面密布排列，而且具備最低表面能，其中原子按照最密的方式排列，溫度越高，組織越緊密，由此使氮鋁化鈦涂層產生高硬度優勢。

當溫度非常高時，TiN中的AlN也只是固溶其中的一小部分，由于等離子體的活化和高能量離子轟擊的作用，通過物理相沉積方法制備的涂層使得TiN中的AlN的固溶度明顯增加，多于能夠在相對溫度較低的情況下制備含量較高的Al涂層。

當Al原子與Ti原子發生置換時，其晶體結構發生變化，進而導致晶體表面間距大大減小，使得晶體結構致密，而且因為Al含量增加涂層結構亞輝產生變化，向著高硬度方向改變。另一方面，如通過磁控濺射技術向刀具基體鍍涂層，其屬于沉積化合物薄膜，可用化合物材料制作而成的靶材濺射沉積，也可以在濺射純金屬或者合金靶材的同時通入一定量的活性氣體，在濺射過程中參加反應，沉積出化合物薄膜，從而獲得純度高的涂層，進而增強了滾齒刀剛性。可見，該涂層對滾齒刀的剛性是有很大的作用的[2]。

3 TiAlN新型涂層對滾齒刀耐磨性的影響

傳統刀具工作時，因其基體與切削物之間直接接觸，兩者之間摩擦性大以及升溫后的原因，刀具耐磨性嚴重不足，刀具使用壽命嚴重下降。

涂層材料的發明，就是為了提高刀具性能，而對于涂層的要求則是具有較高的耐磨性、高溫抗氧化性以及與刀具的基體有著較好的結合力，但是涂具刀層的良好性能基礎是結合強度[2]。

研究中發現，涂層的剝落會在表面產生凹槽，而剝落后不能排解到外面的涂層殘渣則引發摩擦系數變大。對于此人們改善了涂層的結合能力，例如涂層前先鍍一層金屬、合金等作為過渡層，或者制備成分梯度緩解等方法，而滾齒刀的耐磨性隨著涂層的厚度增加而增強，但是涂層厚度并不能無限增加，因為基于涂層與基體結合能力差的原因。滾齒刀具切割時會產生高溫，而TiAlN涂層性能極為適合，從不同溫度的涂層表面可以看出。當溫度較低時，可以發現薄膜的表面有很多孔洞狀等缺陷，同時結構松散，晶粒的生長呈現一種無規則狀態。

當溫度有所提升時，晶粒的結構逐漸發生變化，轉變為柱狀的結構，而且膜層表面的大熔滴數以及孔洞數量減少并且晶粒尺寸變小[4]。再度升溫，整個膜層變得相對平整，柱狀晶粒占據薄膜表面大部分空間，而且相鄰的晶粒之間距離緊湊，使得結構變得緊密堅硬，并且分布均勻。沉積溫度低時，因為離化的金屬離子和基體表面粒子兩者之間并不能完全反應，同時晶粒因為沒有能量也不能生長，所以其耐磨性大打折扣。但是當溫度明顯升高時晶粒有了充足能量生長，能按照有序的規則生長并附著在表面形成了良好的耐磨性。另外，在膜層制備過程中如果滾齒刀具溫度低，則呈現拱形，當溫度升高時表面趨于平整，這樣的情況下表面粗糙程度也會降低。而且AiTlN涂層能有效的減小切削過程中的摩擦力，降低摩擦系數。

4 結語

因為TiAlN涂層的高溫下良好性能，該型號涂層在金屬切削刀具中極受歡迎。同時，根據在不同溫度下對其內部反應進行研究發現它對于滾齒刀的剛性以及耐磨性都有著極大的提升。同時還總結出，其在反應中具有良好的擇優取向、工作中的高溫及其適合其反應原理等優點。TiAlN涂層的發現是具有推動性的，有益于制造業和科學兩大事業的進步。

本文的研究只是一小部分，因為TiAlN涂層還是存在許多不足的，例如，隨著制造業的發展漸漸不能滿足其需求、基膜的結合程度、不能與所有刀具基體最大化融合、切削不同金屬時的具體反應不同、隨著刀具的磨損其耐磨性的減弱比例、工作時切削參數的變化、不同環境下的適用程度等等一系列問題是會不斷涌現出來的，這些問題都等待著用實際性的研究以及實驗對比去得出結論，所以說對于TiAlN涂層的研究以及對于整個涂層技術的提升還是有著很多問題在等待著被解決，而刀具涂層的作用也會越來越明顯，越來越值得被人們關注。