TiAlN涂层刀具的发展与应用(3)

TiAlN涂层刀具的发展与应用

２００６年第４０卷Ｎ０４

气体反应气压、等离子体枪和试样问的距离以及样

品温度等，其中脉冲次数和枪压是最重要的两个参

数。清华大学材料系用高能量密度脉冲等离子枪于室温下在硬质合金刀具基体上沉积了硬度高、耐磨损、膜基结合力强的ＴｉＡｌＮ薄膜归，１０ｊ，膜层的力学性

能参数见表２。

至

恤ｉ整挺

瞎ＩⅢＫ

篷

图２膜层显微硬度及界面结合力随Ｎ２流量的变化表２高能量密度脉冲等离子枪制备涂层的力学性能参数

涂层材料

纳米硬度杨氏模量纳米划痕临界（ＧＰａ）

（ＧＰａ）

载荷（ｍＮ）

ＴｉＮ２７４５０９０ＴｉＣＮ５０

５５０１１０ＴｉＡｌＮ

３８

６５０

１００

（４）磁控溅射离子镀

磁控溅射离子镀通过离子源对膜层进行离子轰击，是一种高温沉积工艺，工件一般要加热到３００。Ｃ～５００℃。此工艺克服了磁控溅射沉积速率低、离化

率低和强烈基体热效应等缺陷，能显著提高膜基结

合强度。非平衡磁控溅射离子镀用非平衡电源使约束在靶面附近的等离子体扩散到工件附近，提高系统的性能。非平衡磁控溅射以其优异的性能在国内外得到了广泛的应用。

影响涂层性能的工艺参数有气体分压、偏压和

沉积室的真空度、温度等。气体分压是指工作气体

和反应气体的比值。在制备ＴｉＡＩＮ涂层时工作气体

为Ａｒ，降低Ａｒ的分压有利于提高镀膜速率、膜基结合强度和膜层致密度。随着Ａｒ分压的降低，工作气

体Ｎ２分压增大。Ｎ２不但与沉积在工件上的膜层原子反应形成化合物膜，同时还会与靶材反应在靶面

万　

方数据上形成化合物，产生靶中毒现象，因此确定二个最优的Ｎ，分压值是很重要的。中频交流磁控溅射消除

了“阳极消失”效应和“阴极中毒”问题，大大提高了

磁控溅射运行的稳定性。

３

ＴｉＡＩＮ涂层刀具的应用

ＴｉＡｌＮ涂层具有优于ＴｉＣ、ＴｉＮ、ＴｉＣＮ等涂层的机

械物理性能，并可与其它涂层配合组成多元多层复

合涂层。在ＴｉＡｌＮ涂层中有较高的Ａｌ浓度，切削加工时涂层表面会生成一层极薄的非晶态Ａ１２０３，从而

形成硬质惰性保护膜，非常适合应用于高速切削加

工。干式或半干式切削是一个发展趋势。为实现干

式切削，刀具涂层必须具有两个重要功能：可在刀具

与工件之问起到热壁垒的作用，以减小作用于刀具基体的热应力；可起到固体润滑剂的作用，以减小切

削摩擦及切屑对刀具的粘附。ＴｉＡｌＮ涂层就是一种可较好满足上述要求的高性能涂层。

（１）铣削Ａ１ＳｉＨｌ３／ＪＩＳＳＫＤ６１淬硬模具钢

（５２ＨＲＣ）

ＴｉＡＩＮ涂层铣刀是目前高速铣削淬硬模具钢最

常用的理想刀具１１１ｌ。由ＶＣ．ＭＤ型六齿ＴｉＡｌＮ铣刀

高速铣削Ａ１ＳｉＨｌ３／ＪＩＳＳＫＤ６１淬硬模具钢（５２ＨＲＣ）的数据比较如表３所示ｌ眩Ｊ。

表３不同速度不同冷却方式下ＴｉＡＩＮ铣刀铣削长度比较

铣削速度不同冷却方式下的铣削长度（ｍ）（ｍ／ｍｉｎ）

风冷

千切削

加切削液

ｔ５７３００３００２００３１４３００１５０５０４７ｌ３００２００５０６２８

１５０

１２０

，

分别用ＶＣ—ＭＤ型号ＴｉＡｌＮ涂层铣刀、ＴｉＮ涂层铣刀和未涂层铣刀高速铣削Ａ１ＳｉＨｌ３／ＪＩＳＳＫＤ６１模具钢（５２ＨＲＣ），加工长度达５０ｍ后刀具周边后刀面的磨损情况如图３所示（进给速度：０．１０ｍｍ／齿；轴向切深１０ｍｍ，径向切深０．５ｍｍ；ＪＵ颐铣；风冷）。

由图３可以看出：ＴｉＮ涂层铣刀和未涂层铣刀在Ｖ＝２００ｎｒ／ｍｉｎ时磨损量已较大，ｙ继续增大时则出现剧烈磨损。ＴｉＡｌＮ涂层铣刀的磨损曲线斜率较小，走势较平坦；其它两种刀具的磨损曲线斜率则较大。表明随着切削速度的增加，ＴｉＡｌＮ涂层的磨损量

变化很小，非常适合高速切削。ＴｉＡｌＮ涂层刀具高速铣削模具钢时，主要磨损形式为微剥落，伴随着少量

划伤。ＴｉＡＩＮ较高的耐磨性主要是由于其较低的摩擦系数以及与Ｆｅ极低的化学亲和力。磨痕表面略