01
⼑具涂层
通过⽓相沉积或其他⽅法，在硬质合⾦（或⾼速⼯具钢⼑具）基体上涂覆⼀薄层（⼀般只有⼏微⽶）耐磨性⾼的难熔⾦属（或⾮⾦属）化合物，是提⾼⼑具材料耐磨性⽽不降低其韧度的有效途径之⼀。也是解决⼑具材料发展中的⼀对⽭盾（材料硬度和耐磨性越⾼，强度及韧度就越低）的很好⽅法。 02
涂层⽅法及特点
⽬前，常⽤的⼑具涂层⽅法有化学⽓相沉积法(CVD)和物理⽓相沉积法(PVD)两种。近年来出现⼀些新的涂层⼯艺，具有良好的应⽤前景。
CVD法
CVD法属于原⼦沉积类，是利⽤⾦属卤化物的蒸⽓、氢⽓和其他化学成分，在950~1050℃的⾼温下，进
⾏分解、热合等⽓、固反应沉积物以原⼦、离⼦、分⼦等原⼦尺度的形态在加热基体表⾯形成固态沉积层的⼀种⽅法，其过程包括三个阶段：物料汽化、运输到基体附近和在基体上形成覆盖层。
在各种CVD法中，⽤得最多的是真空离⼦轰击法和磁控离⼦反应喷涂法。
CVD技术主要⽤于硬质合⾦车削类⼑具的表⾯涂层，其涂层⼑具适合于中型、重型切削的⾼速粗加⼯及半精加⼯。CVD法与其他涂层⽅法⽐较，不仅设备简单，⼯艺成熟，还有以下优点：
•沉积物种类多，能涂⾦属、合⾦、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物氢碳氮化物等。
•有⾼度的渗透性和均匀性，可获得不同组织的多层涂层，涂层厚薄均匀。
•沉积速率⾼，⽽且容易控制。
•涂层纯度⾼，晶粒细⽽致密。
•黏附⼒较强，可获得较厚的涂层。
huae•⼯艺成本低，适合⼤量⽣产。
在700~900℃下的中温化学⽓相沉积(MTCVD)可获得致密纤维状结晶形态的TCN涂层，涂层厚度可达8~10µm，并可通过CVD⼯艺技术在表层沉积上A2O3、TiN等抗⾼温氧化性能好、与被加⼯材料亲和⼒⼩、⾃润滑性能好的材料。
MT-CVD涂层⼑⽚适合于⾼速、⾼温、⼤负荷、⼲式切削条件下使⽤，其寿命可⽐普通涂层⼑⽚提⾼1倍左右。CVD法的主要缺点在于沉积温度较⾼，在对⾼速⼯具钢⼑具进⾏涂层时，会使⼑具退⽕及变形。所以沉积后的⼑具还要进⾏淬⽕处理。
PVD法
PVD法是利⽤蒸发或溅射等物理形式把材料从靶源移⾛，然后通过真空或半真空空间使这些携带能量的蒸⽓离⼦沉积到基⽚或零件表⾯以形成膜层，通过⽓相反应过程，使蒸发或溅射出的⾦属原⼦发⽣⽓相反应，从⽽在⼑具表⾯沉积出所要求的化合物。PVD涂层能涂氮化钛、碳氮化钛、铝钛氮化合物，以及各种难熔⾦属的碳化物和氮化物。
⽬前，常⽤的PVD⽅法有低压电⼦束蒸发(LVEE)法、阴极电⼦弧沉积法(CAD)、晶体管⾼压电⼦束蒸发法( THVEE)、⾮平衡磁控溅射法(UMS)、离⼦束协助沉积法(IAD)和动⼒学离⼦束混合法(DIM)。其主要差别在于，沉积材料的汽化⽅法以及产⽣等离⼦体的⽅法不同，⽽使得成膜速度和膜层质量存在差异。
PVD技术主要应⽤于整体硬质合⾦⼑具和⾼速⼯具钢⼑具的表⾯处理，已普遍应⽤于硬质合⾦钻头、铣⼑、铰⼑、丝
PVD技术主要应⽤于整体硬质合⾦⼑具和⾼速⼯具钢⼑具的表⾯处理，已普遍应⽤于硬质合⾦钻头、铣⼑、铰⼑、丝锥、异形⼑具、焊接⼑具等的涂层处理。
和CVD法⽐较，PVD法有以下优点：
•涂层温度(300~500℃C)低于⾼速⼯具钢回⽕温度，故不会损害⾼速⼯具钢⼑具的硬度和尺⼨精度，涂层后不再需要热处理。
•涂层有效厚度只有⼏微⽶，故可保证⼑具原有的精度，适于涂覆⾼精度⼑具。
•涂层的纯度⾼，致密性好，涂层和基体的结合牢固，涂层性能不受基体材质影响。
•涂层均匀，切削刃和圆弧处⽆增厚或倒圆现象，故复杂⼑具也能获得均匀涂层。
•不会产⽣脱碳相，也⽆CVD法因氯的浸蚀和氢脆变形所引起的涂层易脆裂的情况，涂层⼑⽚强度较⾼。
•⼯作过程⼲净，⽆污染，⽆公害。
⽬前，PVD技术不仅提⾼了薄膜与⼑具基体材料的结合强度，涂层成分也由单⼀涂层发展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TIAIN、 TiAICN、TiN-AIN、CN等多种多元复合涂层，且由于纳⽶级涂层的出现，使得PVD涂层⼑具质量⼜有了新的突破，这种薄膜涂层不仅结合强度⾼、硬度接近CBN、抗氧化性能好，并可有效地控制精密⼑具刃⼝形状及精度，在进⾏⾼精度加⼯时，其加⼯精度毫不逊⾊于未涂层⼑具。
其他涂层⽅法：等离⼦体化学⽓相沉积法（PVCD）、离⼦束辅助沉积技术（IBAD）、激光强化处理等，不⼀⽽⾜。
涂层特点
•采⽤涂层技术可在不降低⼑具强度的条件下，⼤幅度地提⾼⼑具表⾯硬度，⽬前所能达到的硬度已接近100GPa；•随着涂层技术的飞速发展，薄膜的化学稳定性及⾼温抗氧化性更加突出，从⽽使⾼速切削加⼯成为可能；
•润滑薄膜具有良好的固相润滑性能，可有效地改善加⼯质量，也适合于⼲式切削加⼯；
•涂层技术作为⼑具制造的最终⼯序，对⼑具精度⼏乎没有影响，并可进⾏重复涂层⼯艺。
03
涂层技术及⼑具涂层知识
氮碳化钛(TiCN)
涂层⽐氮化钛(TiN)涂层具有更⾼的硬度。由于增加了含碳量，使TiCN涂层的硬度提⾼了33%，其硬度变化范围约为Hv3000——4000(取决于制造商）。
CVD⾦刚⽯涂层
表⾯硬度⾼达Hv9000的CVD⾦刚⽯涂层在⼑具上的应⽤已较为成熟，与PVD涂层⼑具相⽐，CVD⾦刚⽯涂层⼑具的寿命提⾼了10—20倍。⾦刚⽯涂层⼑具的⾼硬度，使得切削速度可⽐未涂层的⼑具提⾼2—3倍，使CVD⾦刚氧化温度是指涂层开始分解时的温度值。氧化温度值越⾼，对在⾼温条件下的切削加⼯越有利。
虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在⾼温加⼯中要⽐TiCN有效得多。TiAlN涂层在⾼温下仍能保持其硬度的原因在于可在⼑具与切屑之间形成数控号cncdar⼀层氧化铝，氧化铝层可将热量从⼑具传⼊⼯件或切屑。
与⾼速钢⼑具相⽐，硬质合⾦⼑具的切削速度通常更⾼，这就使TiAlN成为硬质合⾦⼑具的⾸选涂层，硬质合⾦钻头和⽴铣⼑通常采⽤这种PVDTiAlN涂层⽯涂层⼑具成为有⾊⾦属和⾮⾦属材料切削加⼯的
不错选择。
⼑具表⾯的硬质薄膜对材料有如下要求
组织培养瓶①硬度⾼、耐磨性能好；②化学性能稳定，不与⼯件材料发⽣化学反应；③耐热耐氧化，摩擦系数低，与基体附着牢固等。单⼀涂层材料很难全部达到上述技术要求。
涂层材料的发展，已由最初的单⼀TiN涂层、TiC涂层，经历了 TiC—A12O3⼀TiN复合涂层和TiCN、TiAlN等多元复合涂层的发展阶段，现在最新发展了TiN／NbN、TiN／CN，等多元复合薄膜材料，使⼑具涂层的性能有了很⼤提⾼。
涂层材料选择标准
在涂层⼑具制造过程中，⼀般根据涂层的硬度，耐磨性，⾼温抗氧化性，润滑性以及抗粘结性等⼏个⽅⾯来选择，其中涂层氧化性是与切削温度最直接相关的技术条件。
氧化温度是指涂层开始分解时的温度值，氧化温度值越⾼，对在⾼温条件下的切削加⼯越有利。虽然TiAlN涂层的常温硬度也许低于TiCN涂层，但事实证明它在⾼温加⼯中要⽐TiCN有效得多。手动刨冰机
TiAlN涂层在⾼温下仍能保持其硬度的原因在于可在⼑具与切屑之间形成⼀层氧化铝，氧化铝层可将热
量从⼑具传⼊⼯件或切屑。与⾼速钢⼑具相⽐，硬质合⾦⼑具的切削速度通常更⾼，这就使TiAlN成为硬质合⾦⼑具的⾸选涂层，硬质合⾦钻头和⽴铣⼑通常采⽤这种PVDTiAlN涂层。
从应⽤技术⾓度讲：除了切削温度外，切削深度、切削速度和冷却液都可能对⼑具涂层的应⽤效果产⽣影响。
04
常⽤涂层材料进展及超硬涂层技术
硬质涂层材料中，⼯艺最成熟、应⽤最⼴泛的是TiN。⽬前，⼯业发达国家TiN涂层⾼速钢⼑具的使⽤率已占⾼速钢⼑具的50％⼀70％，有的不可重磨的复杂⼑具的使⽤率已超过90％。
由于现代⾦属切削对⼑具有很⾼的技术要求，TiN涂层⽇益不能适应。TiN涂层的耐氧化性较差，使⽤温度达500℃时，膜层明显氧化⽽被烧蚀，⽽且它的硬度也满⾜不了需要。TiC有较⾼的显微硬度，因⽽该材料的耐磨性能较好。同时它与基体的附着牢固，在制备多层耐磨涂层时，常将TiC作为与基体接触的底层膜，在涂层⼑具中它是⼗分常⽤的涂层材料。
TiCN和TiAlN的开发，⼜使涂层⼑具的性能上了⼀个台阶。 TiCN可降低涂层的内应⼒，提⾼涂层的韧性，增加涂层的厚度，阻⽌裂纹的扩散，减少⼑具崩刃。将TiCN设置为涂层⼑具的主耐磨层，可显著
提⾼⼑具的寿命。
TiAlN化学稳定性好，抗氧化磨损，加⼯⾼合⾦钢、不锈钢、钦合⾦、镍合⾦时，⽐ TiN涂层⼑具提⾼寿命3—4倍。在TiAlN涂层中如果有较⾼的Al浓度，在切削时涂层表⾯会⽣成⼀层很薄的⾮品态A12O3，形成⼀层硬质惰性保护膜，该涂层⼑具可更有效地⽤于⾼速切削加⼯。掺氧的氮碳化钛TiCNO具有很⾼的显微硬度和化学稳定性，可以产⽣相当于TiC⼗A12O3复合涂层的作⽤。ntest
在上述硬质薄膜材料中，显微硬度HV能够超过50GPa的有3种：⾦刚⽯薄膜、⽴⽅氮化硼CBN、氮化碳。
许多沉积⾦刚⽯薄膜的温度要求为600℃⼀900℃，因此该技术常⽤于硬质合⾦⼑具表⾯沉积⾦刚⽯薄膜。⾦刚⽯硬质合⾦⼑具的商品化，是近⼏年涂层技术的重⼤成就。
楼层呼叫器CBN在硬度和导热率⽅⾯仅次于⾦刚⽯，热稳定性极好，在⼤⽓中加热⾄1000℃也不发⽣氧化。 CBN对于铁族⾦属具有极为稳定的化学性能，与⾦刚⽯不宜加⼯钢材不同，它可以⼴泛⽤于钢铁制品的精加⼯、研磨等。
CBN涂层除具有优良的耐磨损性能外，还可以在相当⾼的切削速度下加⼯耐热钢、钛合⾦、淬⽕钢，能切削⾼硬度的冷硬轧辊、掺碳淬⽕材料和对⼑具磨损⾮常严重的Si—Al合⾦等。低压⽓相合成CBN
啉薄膜的⽅法主要有CVD和PVD法。CVD包括化学输运PCVD，热丝辅助加热PCVD、ECR—CVD等；PVD则有反应离⼦束镀、活性反应蒸镀、激光蒸镀离⼦束辅助沉积法等。CBN的合成技术，在基础研究和应⽤技术⽅⾯都还有不少⼯作要做，包括反应机制和成膜过程、等离⼦体诊断和质谱分析、最佳⼯艺条件的确定、⾼效率设备的开发等。
氮化碳有可能具有达到或超过⾦刚⽯的硬度。合成氮化碳的成功，是分⼦⼯程学⼗分杰出的范例。作为超硬材料的氮化碳，预期还有其它许多宝贵的物理化学性质，研究氯化碳成为世界材料科学领域的热门课题。
