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切削刀具表面TiCN涂層的研究現(xiàn)狀與發(fā)展
發(fā)布時(shí)間：2021-06-29
隨著切削技術(shù)向高速、高效、高精、綠色、智能方向發(fā)展，切削加工對(duì)刀具的性能提出了更高的要求，無(wú)涂層刀具由于表面硬度低、耐磨性差等缺陷，已經(jīng)難以滿足干式、高速條件下以及對(duì)鈦合金等難加工材料的切削加工要求。涂層刀具因具有高的表面硬度、良好的耐磨性和高溫穩(wěn)定性等，已成為現(xiàn)代切削加工的主要選擇。TiC和TiN涂層是最早應(yīng)用在刀具表面上的硬質(zhì)防護(hù)涂層。TiN涂層的硬度約為2200HV，與鋼的摩擦系數(shù)為0.55，耐磨性較好，最高使用溫度為550℃左右，是理想的低速切削刀具涂層材料，目前已被大量應(yīng)用。TiC涂層的硬度比TiN涂層高，為3300HV左右，在摩擦過(guò)程中由于C元素具有潤(rùn)滑作用，與鋼的摩擦系數(shù)低至0.15，但TiC涂層脆性大、韌性低，在使用過(guò)程中極易崩落，應(yīng)用較少。TiC和TiN涂層均屬于立方晶系，TiC為體心立方結(jié)構(gòu)，TiN為面心立方結(jié)構(gòu)，TiC和TiN可以互溶，形成TiCN固溶體。
TiCN涂層綜合了TiN和TiC涂層的優(yōu)點(diǎn)，與TiN涂層相比，顯微硬度明顯提高，同時(shí)其韌性比TiC涂層好，TiCN涂層的摩擦系數(shù)為0.2左右，具有良好的減摩性能，大量應(yīng)用在絲錐、鉆頭和銑刀上，特別適合鋁合金等有色金屬及合金的加工。TiCN涂層的制備方法主要有化學(xué)氣相沉積技術(shù)、物理氣相沉積技術(shù)、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)、等離子噴涂技術(shù)等表面涂層技術(shù)。TiCN涂層存在的不足是熱穩(wěn)定性差，在300℃左右開(kāi)始發(fā)生氧化，在高于400℃的情況下會(huì)嚴(yán)重氧化而剝落失效。因此，關(guān)于TiCN涂層的改性問(wèn)題備受關(guān)注，是近年來(lái)刀具表面涂層材料的研究熱點(diǎn)之一。
1、TiCN涂層的微觀結(jié)構(gòu)
TiCN涂層是在TiN二元涂層基礎(chǔ)上進(jìn)行合金化形成的三元硬質(zhì)涂層，C元素是植入的合金化元素。TiN涂層的晶體結(jié)構(gòu)為NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)，添加C元素后，TiN晶格中的N原子部分被C原子替代，形成Ti(C，N)固溶體，TiCN涂層的晶體結(jié)構(gòu)仍是NaCl型面心立方結(jié)構(gòu)。C的原子半徑為0.091nm，N的原子半徑為0.075nm，由于C原子半徑大于N原子半徑，當(dāng)C原子置換N原子時(shí)，晶格發(fā)生膨脹，晶格常數(shù)變大，在XRD衍射圖譜中表現(xiàn)為TiCN衍射峰峰位向低角度偏移。TiCN涂層的微觀結(jié)構(gòu)與涂層中C含量相關(guān)，在C含量較低時(shí)，TiCN涂層仍保持TiN涂層的結(jié)構(gòu)取向，以（111）晶面為主。隨著涂層中N含量的增高，（111）晶面的峰強(qiáng)逐漸降低且峰形出現(xiàn)寬化，最終TiCN涂層形成非晶態(tài)。也可認(rèn)為，TiCN涂層是在TiC涂層中引入N元素而形成，N元素被視作合金化元素，這時(shí)TiCN涂層的衍射峰較TiC涂層向高角度偏移。對(duì)于N含量很低的TiCN涂層，涂層結(jié)晶度很低，以非晶為主。隨著涂層中N含量的增多，TiCN涂層物相的衍射峰強(qiáng)度增大且峰形尖銳化，結(jié)晶度增大，同時(shí)涂層的衍射峰取向由（200）逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椋?11）晶面。
TiN二元涂層在沉積生長(zhǎng)過(guò)程中形成典型的柱狀結(jié)構(gòu)，且柱狀粗大，涂層中添加C元素有利于抑制柱狀晶粒的形成。隨著C元素的添加，TiCN涂層的柱狀結(jié)構(gòu)明顯弱化。研究指出，TiN涂層的柱狀寬度約為30nm，加入C元素后形成的TiCN涂層的柱狀寬度減小到5nm，組織明顯發(fā)生細(xì)化。隨著涂層中C含量的增多，C原子除了固溶在TiN晶格中之外，C原子之間也會(huì)發(fā)生鍵合，形成包含類石墨（sp2）和類金剛石（sp3）結(jié)構(gòu)的無(wú)定形相，TiCN晶粒鑲嵌在無(wú)定形碳結(jié)構(gòu)的骨架中，使得TiCN晶粒的生長(zhǎng)受到抑制，從而達(dá)到細(xì)化晶粒的作用。原本以堆垛式生長(zhǎng)形成的柱狀或島狀結(jié)構(gòu)也得到消除，涂層形成無(wú)方向性的致密結(jié)構(gòu)。這種納米晶/非晶復(fù)合結(jié)構(gòu)具有更好的熱穩(wěn)定性，C元素在涂層中不僅是細(xì)化晶粒，而且在高溫下能抑制晶粒長(zhǎng)大，具有穩(wěn)定涂層組織的作用。
2、TiCN涂層的性能
2.1 硬度
硬度是刀具表面涂層非常重要的性能指標(biāo)，決定了涂層的耐磨性。TiCN涂層的硬度較高，通常為2300~3800HV，具體與涂層中的C含量密切相關(guān)。當(dāng)涂層中碳含量較低時(shí)，C原子以固溶的形式存在，隨著C含量的增加，涂層的硬度呈線性或近似線性增加的趨勢(shì)。當(dāng)涂層中的C原子達(dá)到飽和或接近飽和時(shí)，C原子開(kāi)始形成C—C或CNx無(wú)定形相，這時(shí)涂層的硬度達(dá)到最大值，繼續(xù)增大涂層中的C含量，涂層的硬度逐漸降低。C原子的致硬作用主要有C—Ti鍵強(qiáng)化、固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)化。Ti—C鍵能較Ti—N鍵高，結(jié)合更牢固，當(dāng)涂層中形成少量的Ti—C鍵可增加涂層的硬度，TiC涂層的硬度也高于TiN涂層。然而，TiC涂層的硬度仍低于TiCN涂層，這是因?yàn)?a href='http://m.apdaqi.com/tech/coatingList/' target='_blank'>涂層中除了Ti—C鍵的作用之外，C原子固溶于TiN晶格中，由于C、N原子半徑不同，致使TiN晶格發(fā)生畸變，使涂層硬度升高。如前所述，C原子可以細(xì)化晶粒，根據(jù)Hall-Petch效應(yīng)可知，TiCN涂層的硬度隨C原子的添加而提高。
TiCN涂層的硬度除了與C原子含量有關(guān)外，還與涂層晶體結(jié)構(gòu)的取向、組織應(yīng)力、涂層厚度、制備方法等因素有關(guān)。面心立方晶體中（111）晶面為原子密排面，具有（111）擇優(yōu)取向的TiCN涂層的硬度往往比（200）擇優(yōu)取向的硬度高。涂層中的拉應(yīng)力對(duì)硬度不利，一定的殘余壓應(yīng)力有利于提高涂層的硬度，但應(yīng)力過(guò)大，涂層與基體結(jié)合不好，涂層容易發(fā)生剝落。通常情況下，涂層厚度越大，涂層的硬度越高，這是因?yàn)?a href='http://m.apdaqi.com/tech/coatingList/' target='_blank'>涂層硬度的測(cè)量會(huì)受到基體的影響，使測(cè)量硬度值偏低。為減小基體對(duì)涂層硬度測(cè)量的干擾，往往將壓痕深度控制在涂層厚度的十分之一以內(nèi)。另外，涂層厚度越厚，涂層表層與深層的組織存在的差異越大，組織的不均勻性也將影響涂層的硬度。不同制備方法和工藝制備的TiCN涂層的硬度存在差異，PVD法制備的TiCN涂層的硬度明顯大于CVD法制備的涂層的硬度，同種方法內(nèi)通過(guò)調(diào)整涂層沉積工藝，硬度也隨之發(fā)生改變。
2.2 耐磨性
涂層耐磨與否，直接關(guān)乎涂層刀具的使用壽命。通常涂層硬度越高，涂層耐磨性越好。TiCN涂層由于多種強(qiáng)化作用，硬度較高，因此具有較好的耐磨性能。研究表明，在高速銑削條件下，TiCN涂層銑刀的后刀面磨損速率僅為TiN涂層銑刀的三分之一左右。在鉆孔時(shí)，TiCN涂層鉆頭在鉆孔數(shù)為TiN涂層鉆頭兩倍時(shí)的磨損量仍低于TiN涂層鉆頭。TiCN涂層的硬度越高，與基體材料的硬度差越大，涂層/基體之間界面的結(jié)合強(qiáng)度越低，C原子的添加使TiN晶格畸變，在涂層/基體的界面形成應(yīng)力，使結(jié)合強(qiáng)度降低。劃痕實(shí)驗(yàn)表明，TiCN涂層與鋼質(zhì)基體的結(jié)合力為42N，較TiN涂層與基體的結(jié)合力低。
TiCN涂層的耐磨性除了與硬度有關(guān)外，另一個(gè)重要原因是涂層中的C原子發(fā)揮了關(guān)鍵作用。涂層中無(wú)定形結(jié)構(gòu)的C原子簇相當(dāng)于固體潤(rùn)滑劑，在摩擦?xí)r起到固體潤(rùn)滑的作用。在摩擦過(guò)程中，C原子發(fā)生擴(kuò)散和聚集，形成碳轉(zhuǎn)移膜，可減小接觸面間的剪切力，使涂層的摩擦系數(shù)大幅降低。涂層中的C原子含量越高，摩擦?xí)r在涂層表面形成的轉(zhuǎn)移膜數(shù)量越多，TiCN涂層的減摩性能越好。在水溶液中或潤(rùn)滑條件下，TiCN涂層還能與水分子反應(yīng)形成TiO2潤(rùn)滑膜，可進(jìn)一步降低涂層的摩擦系數(shù)。
2.3 熱穩(wěn)定性
在高速切削和干式切削時(shí)，刀具表面溫度可達(dá)900~1000℃，在這樣苛刻的加工環(huán)境下，涂層的高溫穩(wěn)定性和紅硬性至關(guān)重要，將直接影響涂層的耐磨性和壽命。研究表明，TiCN涂層的耐磨性能隨溫度的上升而急劇降低，當(dāng)溫度高于400℃時(shí)涂層便失效。TiCN涂層耐磨性能的降低，主要?dú)w因于涂層在高溫時(shí)硬度下降太快（紅硬性較差）和摩擦系數(shù)的增大。
TiCN涂層的硬度隨溫度的上升而顯著降低，涂層中植入C原子未能對(duì)涂層的紅硬性有明顯改善。TiCN涂層在600℃真空條件下保溫1h后，其硬度視C含量的不同有不同程度的下降，隨著保溫溫度的上升，涂層硬度下降的幅度增大，在1000℃下保溫1h后，涂層的硬度幾乎只有初始硬度的50%。
在高溫條件下，C原子從TiCN晶格中析出，首先形成sp3C，隨著保溫時(shí)間的延長(zhǎng)，涂層中sp3C數(shù)量不斷增多，并逐漸轉(zhuǎn)變成sp2C；隨保溫過(guò)程繼續(xù)進(jìn)行，涂層中的缺陷減少，sp2C團(tuán)簇增加，無(wú)序度降低。伴隨C原子的不斷析出，TiCN逐漸分解為TiN和TiC。另一方面，TiCN納米晶體在400~500℃時(shí)開(kāi)始氧化生成TiO2，使sp2C結(jié)構(gòu)遭到破壞，不能再起到固體潤(rùn)滑的作用，從而導(dǎo)致摩擦因數(shù)升高。此外，在高溫環(huán)境中的水蒸氣極少，摩擦過(guò)程為高溫干摩擦，也導(dǎo)致摩擦因數(shù)上升。
3、TiCN涂層的制備技術(shù)與工藝
TiCN涂層誕生于20世紀(jì)70年代，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前的制備技術(shù)主要有化學(xué)氣相沉積技術(shù)（CVD）、物理氣相沉積技術(shù)（PVD）、等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)（PCVD）、反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)以及反應(yīng)氮弧熔覆技術(shù)等，其中，CVD和PVD技術(shù)是刀具表面涂層制備最主要的方法，根據(jù)沉積條件或沉積原理的不同，又具有不同的制備工藝。不同方法和工藝制備的TiCN涂層的性能和結(jié)構(gòu)存在差異，制備涂層時(shí)需根據(jù)涂層的應(yīng)用條件和基體材料來(lái)選擇適宜的制備工藝方法。
3.1 CVD
CVD是最早出現(xiàn)和使用最廣泛的TiCN涂層制備方法。CVD法是在真空容器內(nèi)通入各種反應(yīng)氣體和保護(hù)氣體，并加熱基體試樣或工件。基體暴露于氣流之中，氣流之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物沉積在基體上形成涂層。制備TiCN涂層時(shí)通入的反應(yīng)氣體為TiCl4、CH4和N2，作為C來(lái)源的CH4有時(shí)也可采用C2H2等其他有機(jī)氣體替代。保護(hù)氣體通常為H2，有時(shí)還同時(shí)通入Ar。CVD法具有良好的繞鍍性，沉積的TiCN涂層組織均勻，與基體材料的結(jié)合強(qiáng)度高，TiCN涂層的厚度可達(dá)10µm，甚至更厚。CVD法的沉積溫度通常較高，約1000℃，遠(yuǎn)超過(guò)鋼質(zhì)刀具的回火溫度，易使基體發(fā)生軟化。因此，CVD技術(shù)適宜于硬質(zhì)合金基體表面沉積TiCN涂層。
硬質(zhì)合金作為基體材料時(shí)，由于沉積溫度高，涂層和基體材料各元素之間發(fā)生互擴(kuò)散，在基體側(cè)形成脫碳層（η相層），一方面使涂層與基體之間的結(jié)合更加牢固，另一方面，由于脫碳層硬度高、脆性大，基體/涂層體系的抗彎強(qiáng)度和韌性大幅降低，從而影響其使用性能。近年來(lái)，CVD技術(shù)經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)和發(fā)展，形成了沉積溫度更低的中溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MT-CVD）和低溫化學(xué)氣相沉積技術(shù)（LT-CVD），由于溫度降低，氣體之間的反應(yīng)活性下降，沉積效率隨之降低，甚至一些反應(yīng)和相變不能進(jìn)行，因而MT-CVD和LT-CVD尚未大面積應(yīng)用，目前僅用在某些特殊要求的場(chǎng)合。
3.2 PVD
PVD技術(shù)是在真空條件下，利用物理方法將源材料氣化成氣態(tài)原子、分子或部分電離成離子，并通過(guò)低壓氣體放電或等離子體過(guò)程在基體表面進(jìn)行沉積的涂層技術(shù)。根據(jù)物理原理的不同，PVD法沉積TiCN涂層的技術(shù)又分為真空蒸發(fā)鍍技術(shù)、多弧離子鍍技術(shù)和磁控濺射技術(shù)。
3.2.1 真空蒸發(fā)鍍技術(shù)
真空蒸發(fā)鍍是將待鍍基體置入真空室內(nèi)，利用一定方法制造熱量加熱坩堝內(nèi)放入的Ti塊，使之蒸發(fā)或升華，并與真空室內(nèi)的N2和CH4氣體發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物不斷在基體上凝聚和生長(zhǎng)，最終形成完整的TiCN涂層。根據(jù)熱源產(chǎn)生方式的不同，真空蒸發(fā)鍍可分為電子束加熱蒸發(fā)鍍、電弧加熱蒸發(fā)鍍、電阻加熱蒸發(fā)鍍以及激光加熱蒸發(fā)鍍等。蒸發(fā)鍍制備TiCN涂層的特點(diǎn)是，沉積效率高，涂層按柱狀方式生長(zhǎng)，由于離化率極低或無(wú)離化作用，涂層沉積過(guò)程中幾乎不存在高能帶電粒子對(duì)已沉積層的轟擊作用，因而TiCN涂層的組織致密性和表面質(zhì)量不高。
3.2.2 多弧離子鍍技術(shù)
多弧離子鍍沉積TiCN涂層是以Ti靶作為陰極蒸發(fā)源，Ar為工作氣體，N2和C2H2（或CH4）為反應(yīng)氣體，通過(guò)靶與陽(yáng)極殼體之間的弧光放電，使靶材蒸發(fā)并離化，在空間中形成等離子體，在基體表面進(jìn)行沉積。多弧離子鍍技術(shù)的離化率較高，在偏壓下離子可獲得高能量，涂層沉積速度快、組織致密性較好。但由于電弧的能量過(guò)大，在涂層中易形成微米級(jí)的液滴，使涂層表面光潔度降低。磁過(guò)濾裝置可以將大顆粒與離子分離，有效減少液滴。氣體分壓（或流量比）是多弧離子鍍的重要工藝參數(shù)，隨著C2H2/(C2H2+N2)流量比的增加，TiCN涂層中C含量增多，硬度增加，臨界載荷和摩擦系數(shù)下降，耐磨性先增加后減小。當(dāng)CH4作為碳源時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)CH4分壓，同樣可獲得不同含碳量的TiCN涂層。
3.2.3 磁控濺射技術(shù)
磁控濺射技術(shù)是在真空條件下利用氬氣輝光放電電離出的Ar+在電場(chǎng)作用下加速撞擊陰極靶材，使靶材原子從靶表面逸出，并直接沉積在基體上成膜，或先與等離子體中其他粒子發(fā)生碰撞再沉積于基體上。磁控濺射使電子的運(yùn)動(dòng)路徑為螺旋線，增加電子與氣體原子、分子的碰撞幾率，在相同的氣壓和電壓條件下可提高氣體的離化率。磁控濺射制備TiCN涂層時(shí)，傳統(tǒng)的工藝是以Ti靶作為濺射靶，N2為反應(yīng)氣體，碳通過(guò)CH4（或C2H2等）反應(yīng)氣體引入，該工藝易獲得高C含量的TiCN涂層。氣體碳源容易對(duì)爐膛造成污染，采用石墨靶作碳源，通過(guò)共濺射鈦靶和石墨靶制備TiCN涂層的新工藝，可以避免含碳?xì)夥諏?duì)真空室內(nèi)壁的污染，并且通過(guò)調(diào)節(jié)濺射靶的功率或電流大小，可控制TiCN涂層的元素含量比例。也可采用在一塊靶平面上同時(shí)鑲嵌石墨塊和鈦塊的鑲嵌靶作為濺射靶材來(lái)制備TiCN涂層，涂層中碳含量可由鑲嵌的石墨塊的面積或數(shù)量決定。
3.3 PCVD
PCVD是將低壓氣體放電等離子體技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)氣相沉積技術(shù)中的一項(xiàng)新涂層技術(shù)，它采用CVD所用的源物質(zhì)，利用等離子體中電子的動(dòng)能去激發(fā)氣相化學(xué)反應(yīng)，使反應(yīng)所需溫度降低至600℃或更低，適用的基體材料范圍更廣，可在不耐高溫的材料上沉積涂層。根據(jù)提供激勵(lì)氣體放電裝置的特點(diǎn)，PCVD分為直流等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)、射頻等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)和微波等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)。由于等離子體的激發(fā)作用，使得難以成膜的材料發(fā)生反應(yīng)而成膜。在其他條件相同時(shí)，PCVD的沉積速度比普通CVD的沉積速度更快。
目前，國(guó)內(nèi)外采用PCVD或CVD技術(shù)沉積TiCN涂層所用的鈦源材料主要為TiCl4，Cl元素與H元素在反應(yīng)室中發(fā)生反應(yīng)形成HCl氣體，易使反應(yīng)室內(nèi)壁發(fā)生腐蝕和污染環(huán)境，并且在涂層沉積的過(guò)程中，Cl元素和HCl氣體會(huì)殘留在涂層中，使涂層性能下降。為了解決這些問(wèn)題，采用含鈦的金屬有機(jī)物取代TiCl4作為鈦源，稱為金屬有機(jī)化合物等離子體輔助化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MO-PCVD）或有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積技術(shù)（MO-CVD）。含鈦的金屬有機(jī)物主要有鈦酸四甲脂、鈦酸四乙脂、四異丙基鈦、鈦酸四丁脂及氨基鈦等。通過(guò)PCVD技術(shù)，采用(C3H7O)4Ti-H2-N2體系替代傳統(tǒng)的TiCl4-CH4-N2-H2制備的TiCN涂層截面硬度呈梯度分布，對(duì)提高層/基結(jié)合強(qiáng)度有較好的作用。
3.4 反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)
反應(yīng)等離子噴涂是以Ti粉為原料，以C2H2和N2為反應(yīng)氣體，Ar為離子氣。通過(guò)送粉氣體（N2）將Ti粉送入到等離子焰流中，Ti在C2H2和N2的混合氣氛反應(yīng)室中充分反應(yīng)，并噴涂在基材表面上，形成厚度可達(dá)幾百微米的TiCN涂層，該涂層厚度為普通CVD和PACVD法制備的100倍，但該工藝不易提高碳氮比。選用石墨粉作為碳源，與Ti粉一起噴入到反應(yīng)室中，并與N2反應(yīng)形成TiCN，通過(guò)調(diào)整石墨粉的粒徑大小，可改變TiCN涂層中碳氮比，并可獲得高含碳量的TiCN涂層。在反應(yīng)等離子噴涂的過(guò)程中，熔融態(tài)的液滴在飛行過(guò)程中保持高溫高速，在撞擊到基體上時(shí)保持熔融狀態(tài)，并在基體表面發(fā)生變形、冷凝和收縮，使堆垛的每層涂層之間結(jié)合緊密。但由于反應(yīng)溫度較高，反應(yīng)物在熔融或半熔融態(tài)時(shí)會(huì)卷入部分氣體，當(dāng)涂層凝固后，這部分氣體逸出，在涂層中形成裂紋或微孔，因而反應(yīng)等離子噴涂技術(shù)制備的TiCN涂層的孔隙率遠(yuǎn)高于CVD和PVD制備的TiCN涂層，而硬度遠(yuǎn)低于CVD和PVD制備的TiCN涂層。
3.5 反應(yīng)氮弧熔覆技術(shù)
反應(yīng)氮弧熔覆技術(shù)是采用氬弧焊機(jī)作為制備TiCN涂層的裝置，以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體和反應(yīng)氣體，在待沉積的試樣或工件表面涂覆一層預(yù)先按比例混制好的鈦粉和石墨粉，試樣或工件接弧焊機(jī)的陽(yáng)極，鎢極為陰極，利用兩極間形成的弧光能量和電流熱將鈦粉和石墨粉熔化，同時(shí)弧光放電使N2電離出N離子，并與熔化的粉末發(fā)生反應(yīng)生成TiN和TiC，TiN和TiC互反應(yīng)形成TiCN硬質(zhì)相。反應(yīng)氮弧熔覆技術(shù)不需要昂貴的設(shè)備，且沉積工藝簡(jiǎn)單，效率高，生產(chǎn)成本低，所制備的TiCN涂層厚度可以達(dá)到毫米級(jí)。熔覆電流是TiCN涂層制備過(guò)程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)，在不同熔覆電流下涂層的微觀形貌與顯微組織存在很大差異。隨著熔覆電流的增大，TiCN硬質(zhì)相的生成量減少并出現(xiàn)被燒損的現(xiàn)象，熔覆層的顯微組織分布趨于離散。
4、TiCN涂層的發(fā)展趨勢(shì)
TiCN涂層雖然具有高硬度、低摩擦系數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)因其熱穩(wěn)定性和紅硬性較差，僅適合應(yīng)用于低速切削或具有良好冷卻條件的場(chǎng)合。為適應(yīng)高速切削和綠色干式切削等切削加工技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和要求，擴(kuò)展TiCN涂層的應(yīng)用范圍，對(duì)TiCN涂層結(jié)構(gòu)和制備工藝上的改進(jìn)成為近年來(lái)刀具涂層材料領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點(diǎn)。
4.1 多層涂層
多層涂層與單一涂層相比具有更好的力學(xué)性能，低的內(nèi)應(yīng)力、高的層/基結(jié)合力、適當(dāng)?shù)挠捕葎偠缺取⒌偷哪Σ良澳p。多層涂層已成為CVD和PVD涂層的主要結(jié)構(gòu)形式。TiN/Al2O3/TiCN多層涂層由外向內(nèi)的單層涂層厚度依次為1、2、7μm，沖擊磨損實(shí)驗(yàn)表明，該多層涂層體系可以抵抗涂層產(chǎn)生疲勞裂紋，具有優(yōu)異的耐磨性能，表層TiN涂層有利于減輕與鋼質(zhì)對(duì)磨材料的親和性，中間層Al2O3可以提高涂層的抗氧化性和高溫性能，底層TiCN具有高的硬度作為外層涂層的支撐。TiN/TiCN/Al2O3/TiN四層涂層具有優(yōu)異的耐磨損性能，與基體間的結(jié)合強(qiáng)度高，臨界載荷高達(dá)135.2N。TiN/TiCN/Al2O3/TiN四層涂層中的Al2O3層能有效阻止高溫氧化層向內(nèi)擴(kuò)散，對(duì)內(nèi)層材料有很好的保護(hù)作用，可避免TiN/TiCN/Al2O3/TiN涂層因氧化而發(fā)生開(kāi)裂、破碎和剝落，Al2O3涂層的加入可進(jìn)一步提高CVD涂層的抗氧化性能。
合金化是塊體材料改善力學(xué)性能、耐蝕性和耐磨性的有效途徑，合金化同樣適用于涂層材料。刀具涂層材料從最初的二元涂層發(fā)展到現(xiàn)在的三元、四元涂層，正是涂層合金化發(fā)展的結(jié)果。目前，根據(jù)涂層的服役條件和使用要求，并結(jié)合各合金元素的作用，有選擇性的TiCN基合金化涂層主要有TiAlCN、TiSiCN、TiCON、TiAlCrCN、TiAlSiCN和TiCrSiCN涂層。TiAlCN涂層是TiCN涂層中添加Al元素形成的四元涂層，該涂層常溫下的硬度為32~35GPa，摩擦系數(shù)約為0.25，經(jīng)1200℃以下溫度真空保溫1h后，其硬度值下降不大，具有較好的紅硬性。但在大氣環(huán)境下，TiAlCN涂層在600℃左右便發(fā)生氧化，對(duì)TiAlCN涂層進(jìn)一步添加Cr元素形成的TiAlCrCN五元涂層的抗氧化性可提高到1000℃。Si在涂層中具有增硬作用，TiSiCN四元涂層的硬度可達(dá)40GPa，但同時(shí)具有較大的脆性，不耐沖擊。在TiSiCN涂層中分別添加Al、Cr元素形成的TiAlSiCN和TiCrSiCN五元涂層，硬度值均在35~40GPa之間，且同時(shí)具有較好的抗沖擊磨損性能和防腐蝕性能。氧的摻雜使TiCN晶格中部分碳或氮原子被氧原子所取代，形成新的固溶體，但仍為面心立方結(jié)構(gòu)，擇優(yōu)取向仍以（111）晶面為主，氧的摻入可顯著細(xì)化晶粒，涂層截面更平整，組織更致密，同時(shí)硬度和耐磨性均提高，但結(jié)合強(qiáng)度降低。
4.3 納米多層涂層
納米多層涂層是指由兩種（或兩種以上）成分或結(jié)構(gòu)不同的涂層在垂直于涂層方向上交替生長(zhǎng)而形成的多層結(jié)構(gòu)，每相鄰兩層的厚度（調(diào)制周期）通常為十幾納米左右。納米多層涂層不再具有單層涂層的柱狀晶結(jié)構(gòu)特征，韌性和硬度均被提高。以TiCN為模板的TiCN/XN納米多層涂層可通過(guò)調(diào)整單層數(shù)量或調(diào)制周期大小獲得不同的硬度值。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)TiN/TiCN納米多層涂層的厚度達(dá)到23.5µm時(shí)其仍具有較高的硬度和結(jié)合強(qiáng)度，且摩擦磨損特性與薄涂層相當(dāng)，使用壽命因其大的厚度而被延長(zhǎng)。TiCN/VCN納米多層涂層具較好的高溫耐磨性，在700℃高溫條件下的摩擦系數(shù)仍在0.4以下，而TiCN單層涂層的摩擦系數(shù)上升到0.6。
5、結(jié)語(yǔ)
“中國(guó)制造2025”明確提出把節(jié)能減排、綠色可持續(xù)作為制造業(yè)的發(fā)展方向，切削加工業(yè)作為制造業(yè)的基礎(chǔ)，技術(shù)進(jìn)步任務(wù)艱巨。高速可提高效率和加工精度，干式切削可減輕或避免使用冷卻液造成的污染，高速切削和干式切削已經(jīng)成為切削技術(shù)發(fā)展的兩大重要方向。高速切削和干式切削帶來(lái)的高溫問(wèn)題是刀具材料面臨的難題。盡管涂層刀具的表面涂層可阻止切削熱向基體內(nèi)部擴(kuò)散，降低刀具本體的熱負(fù)荷，但隨溫度逐漸升高，涂層結(jié)構(gòu)發(fā)生分解，組織出現(xiàn)軟化，涂層的保護(hù)作用逐漸喪失，最終造成刀具失效。涂層的高溫穩(wěn)定性和紅硬性是新形勢(shì)下刀具涂層材料非常重要的性能指標(biāo)。
以往涂層研究中重點(diǎn)在解決增硬與增韌以及增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合問(wèn)題上，在切削加工技術(shù)和刀具制造技術(shù)發(fā)展新常態(tài)下，提高刀具表面涂層的熱穩(wěn)定性和紅硬性成為與增硬、增韌、增強(qiáng)結(jié)合同等重要的研究課題。多層化、多元合金化以及納米化可延遲TiCN涂層材料熱分解的起始溫度和提高涂層的高溫硬度和高溫耐磨性，是今后刀具表面涂層材料的發(fā)展方向。
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