多弧离子镀技术及其在切削刀具镀膜涂层中的应用

　　多弧离子镀制备单层涂层

 

　　多弧离子镀制备单层涂层TiN为面心立方结构，呈金黄色，是目前最常用于切削刀具的涂层，其应用的刀具涂层设备也很多，该涂层具有高硬度、高黏着强度、低摩擦系数、抗腐蚀性好等特点。但TiN涂层的抗氧化温度较低，使用温度达500℃时，涂层明显氧化而被烧蚀。多弧离子镀由于具备沉积速率高、结合强度好的突出优势，而成为物理气相沉积TiN涂层的主要方法。

 

　　实验采用多弧离子镀涂层工艺，制备了TiN涂层高速钢钻头和TiN涂层硬质合金铣刀，进行了有TiN涂层和无涂层刀具的切削对比试验。结果表明：有TiN涂层的高速钢钻头使用寿命是无涂层钻头的5～7倍，有TiN涂层硬质合金铣刀的使用寿命是无涂层铣刀的3～11倍。

 

　　作为TiN硬质薄膜最有前景的替代材料，TiAlN涂层比TiN具有更高的硬度、抗高温氧化性、热疲劳性能、耐蚀性能、膜基结合力和低的表面粗糙度。TiAlN涂层刀具寿命比TiN涂层刀具寿命高3～4倍。TiAlN涂层与TiN涂层主要性能比较如表1所示。TiAlN涂层刀具切削高合金钢、不锈钢、钛合金及Ni基高温合金时，比TiN涂层刀具使用寿命提高3~4倍。另外，在TiAlN涂层中Al浓度较高时，切削过程中表面会生成很薄的非晶态Al2O3惰性保护膜，可更有效地用于高速切削。

涂层 性能	硬度 Hv	氧化温度/ ℃	划痕测试临界 负荷黏附力/N	结构特征	摩擦性能
TiAlN 涂层	2 720	840	80.3	细柱状面心立 方结构	与钢摩擦 系数0.30
TiN 涂层	1 930	620	60.3	面心立方 结构	与钢摩擦 系数 0.41

 

　　实验采用多弧离子镀技术在高速钢麻花钻上沉积了TiAlN单层涂层，并将TiAlN涂层高速钢麻花钻对1Cr18Ni9Ti不锈钢进行了干态钻削试验。结果表明：在高速钢麻花钻基体上所制备的TiAlN涂层具有良好的力学性能，可以使高速钢麻花钻的使用寿命提高4倍以上。

 

　　多弧离子镀制备多层涂层

 

　　随着高速切削、干式切削等机械加工技术的进步，单层涂层已不能满足对刀具涂层日益苛刻的工作要求。采用形成多层结构的方法，可在充分利用单层涂层原有优良综合力学性能优势的条件下，进一步提高其硬度、韧性和高温抗氧化性能，是目前提高刀具涂层切削性能的重要技术措施。目前研究和应用较多的是双层涂层和3~7层的多层复合涂层。涂层的成分更具有针对性且成分更为复杂化，另外涂层的厚度也趋向纳米化，每一层的成分和厚度都可以根据实际情况来控制。

 

　　实验采用多弧离子镀技术在高速钢表面制备TiN/AlN纳米多层涂层，通过对比试验表明，TiN/AlN纳米多层膜涂层刀具比TiN单层涂层刀具具有更长的使用寿命，如表2所示。

试样	切削速度/ （m·min-1）	切削深度/ mm	进给量/ （mm· r-1）	切削时间/ min	磨损情况
TiN 涂层刀具	180	1.0	0.2	3.83	刀尖烧损
TiN/AlN 涂层刀具	180	1.0	0.2	5.08	刀尖烧损

 

　　多弧离子镀制备DLC涂层

 

　　DLC（DiamondLikeCarbon，类金刚石）涂层是一种非晶态碳涂层，含有sp2和sp3杂化的碳原子空间网络，具有接近金刚石的高硬度，表面非常平滑，粗糙度可达Ra0.01μm好于金刚石涂层的表面粗糙度（Ra=0.53μm）。DLC涂层摩擦系数低（0.005～0.200），只有钢的1/6～1/12，在切削加工中有自润滑功能，有效地解决了切削加工中切削液带来的污染问题，可减少或免除切削液。因此，DLC涂层以其特有的优势广泛应用于切削工具领域，如钻头、铣刀、硬质合金刀片等。

 

　　在真实生产环境中，刀具制备了DLC涂层并对高强度铝合金进行了切削，结果表明类金刚石涂层在干切削中具有良好的抗黏铝性。实验采用真空磁过滤电弧离子镀方法，在基体上制备了DLC涂层，结果表明涂层的粗糙度可达0.015μm，纳米硬度约为55GPa。实验采用真空阴极电弧沉积设备在硬质合金刀片上制备了DLC涂层，用于切削铝青铜和共晶铝硅合金，结果表明DLC涂层刀具使用寿命明显高于未涂层刀具。