TiAlN涂层刀具的发展与应用

TiAlN涂层刀具的发展与应用

２００６年第４０卷Ｎ０４

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ＴｉＡＩＮ涂层刀具的发展与应用＊

刘建华１邓建新１张庆余２

１山东大学２北京航空航天大学

摘要：ＴｉＭＮ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，有望部分或完全替代ＴｉＮ，尤其适用于高速切削。文中对国内外ＴｉＡｌＮ涂层刀具的发展与应用状况进行了综合评述，并着重分析了ＴｉＡｌＮ涂层工艺及其切削性能。

关键词：ＴｉＭＮ，涂层刀具，界面结合强度

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴｉＭＮ，

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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

自１９８５年Ｋｎｏｔｅｋ等首次发表了关于ＴｉｍＮ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【１，２｜。由于ＴｉＡＩＮ涂层的制备方法不尽相同，已见报道的ＴｉＡＩＮ涂层

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

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）。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

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

Ａｌ含量超过５０％时，为了区别吁ＴｉＡｌＮ，有人称其为

Ａ１ＴｉＮ。Ａ１ＴｉＮ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

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。涂层刀具已成为

软的Ａ１Ｎ相，使其硬度降低，但是铝含量并不是影响

硬度的唯一因素。ＭＴｉＮ的硬度可达４５００Ｉ－Ｗ。目前ＴｉＡｌＮ／Ｍ２０，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

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

５ｎｍ），切削性能优于ＴｉＣ／Ａ１２０ｓ／ＴｉＮ涂层刀具［３｜。

表１几种涂层的主要性能比较

涂层材料

ＴｉＮ

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、钛合金、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

ＴｉＣＮＴｉＡＩＮ

微硬度

（ＨＶ）

２３００３０［）ｏ３３００

弹性模量

ｆＧＰａ）

２６０３５２３８０

最大适用温度（ｏＣ）

６００４００９００

涂层结构单层单层纳米结构

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。

＋国家自然科学基金资助项目（项目编号：５０４７５１３３）

教育部新世纪优秀人才支持计划项目（项目编号：ＮＣＥＴ－０４