TiAlN涂层刀具的发展与应用
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收稿日期：２００５年７月
万方数据
２国ＡｌＮ涂层工艺 涂层刀具的切削性能除与涂层材料有关外，在
１０
工具技术
很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，涂层与 基体的结合强度、涂层及其界面组织结构、择优取 向、各单涂层厚度及总厚度等都是决定涂层刀具性 能的重要因素。下面就从基体与涂层材料的选择和 涂层工艺参数两方面进行阐述。
涂层材料
表１几种涂层的主要性能比较
微硬度 （ＨＶ）
弹性模量 ｆＧＰａ）
最大适用 温度（ｏＣ）
ＴｉＮ
２３００
２６０
６００
ＴｉＣＮ
３０［）ｏ
３５２
４００
ＴｉＡＩＮ
３３００
３８０
９００
涂层结构
单层 单层 纳米结构
＋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－０４．０６２２）
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴｉＭＮ， ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌｓ， ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
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 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 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 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 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。
铣削速度 （ｍ／ｍｉｎ）
不同冷却方式下的铣削长度（ｍ）
风冷
千切削
加切削液
ｔ５７
３００
３００
２００
３１４
３００
１５０
５０
４７ｌ
３００
２００
５０
６２８
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）。
２．１基体与涂层材料的选择 对于涂层刀具材料而言，涂层与基体及不同涂 层之间的物理匹配程度影响界面应力载荷传递及材 料性能，其中尤以各层之间的热膨胀系数的匹配程 度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。由于 热胀失配程度和弹性模量的不同，在材料内部将形 成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应 力、提高材料强度的角度上讲，应使基体与涂层的热 膨胀系数更接近，弹性模量差较小；但从残余应力增 韧和微裂纹增韧、提高材料断裂韧性的角度来看，存 在适当的残余应力又是必要的。ＴｉＡｌＮ涂层刀具基 体一般选用高速钢或硬质合金，比如ＹＧ６、ＹＧ８、超 细晶粒ＷＣ—Ｃｏ硬质合金等，也可选陶瓷作基体。 界面结合强度是影响涂层刀具性能的重要因 素。除了选择匹配的材料外，在工艺中也可采取多 种方法来改善ＴｉＡｌＮ膜层与高速钢和硬质合金等基 体的结合强度。如：成膜前进行预溅射清洗以除去 不利于涂层与基体结合的杂质；成膜过程中用高能 粒子轰击以提高膜基间组分相互扩散能力和膜表面 原子的反应活性，降低缺陷的产生；引入如ＴｉＡｌ、Ｔｉ 等中间过渡层１７，１７］，由于过渡层与基体和过渡层与 ＴｉＡｌＮ膜层两者的结合强度显著高于ＴｉＡｌＮ膜层与 基体的结合强度，因而有了过渡层的ＴｉＡｌＮ膜层的 临界载荷明显增加，过渡层的厚度可明显影响膜层 与基体的结合强度【６．７ Ｊ。当过渡层进一步增厚时， 过渡层被剪断的几率增大，导致临界载荷缓慢下降。 界面结合强度可通过自动划痕仪测量临界载荷来确 定。 ２．２涂层工艺参数 一般来说，采用ＰＶＤ工艺可获得比ＣＶＤ工艺更 薄的涂层，且与基体结合较为牢固，同时，ＰＶＤ涂层 的沉积温度较低，在６００。Ｃ以下时对刀具材料的抗 弯强度无影响。可采用多种ＰＶＤ方法来制备ＴｉＡｌＮ 涂层刀具，比如多弧离子镀、电弧离子镀、空心阴极 离子镀、磁控溅射离子镀等。选择不同的涂层方法 所得到涂层刀具的性能有一定差异。目前，表征 ＴｉＡｌＮ涂层成分的主要参数有：ｒＡｌ／Ｔｉ和ｒＭ／Ｎ，用这 两个参数可以全面反映Ｔｉ、Ａｌ和Ｎ三者原子在涂层 中所含的比例。影响ＴｉＡｌＮ涂层性能的主要因素有
（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
图１基本偏压对ＴｉＡＩＮ涂层成分的影响
（２）空心阴极离子镀 采用空心阴极离子镀方法沉积ＴｉＡｌＮ膜层。镀 膜的主要工艺参数有：主弧电流、烘烤温度、镀膜时 间、氩流量和镀膜时的真空度。№的流量影响刀具 的硬度和界面结合力旧ｊ。如图２所示，随Ｎ２流量的 增加，膜基结合力和膜层的显微硬度呈上升趋势，达 到最大值后开始下降，因此存在一个最佳值，以使膜 基结合力和膜层的显微硬度最优。采用空心阴极离 子镀方法制备出的ＴｉＡｌＮ膜层连续、光滑、组织致 密，膜基结合力比ＴｉＮ膜层与基体之间的结合力有 较大程度的提高，但相对于其它工艺还存在一定差 异。 （３）能量脉冲等离子枪 中国科学院物理所自主开发的高能量脉冲等离 子枪能同时兼顾离子注入、物理气相沉积和等离子 体氮化等多种以真空为基础的表面处理技术的优 点，可以改进陶瓷涂层切削刀具的磨损性能。影响 薄膜沉积的工艺因素很多，包括脉冲等离子体枪内 外电极问放电电压（枪压Ｖｇｕｎ）、脉冲等离子轰击试 样次数、脉冲电磁进气阀电压、沉积室真空度、工作
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 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 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 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 ５ｎｍ），切削性能优于ＴｉＣ／Ａ１２０ｓ／ＴｉＮ涂层刀具［３｜。
万方数据
界面结合强度、涂层中Ａｌ的含量以及涂层的成分和 结构。
（ｔ渗弧离子镀
用多弧离子镀方法制备的ＴｉＡｌＮ涂层刀具的涂 层性能与靶材金属成分和工艺参数有关。一般说 来，用ＴｉＡＩ复合靶制备的涂层的均匀性优于用分离 Ｔｉ、Ａｌ靶制备的涂层。提高铝含量能较大程度地提 高膜基结合力。但是，对于高Ａｌ含量的ＴｉＡｌ复合靶 材，目前在制备工艺上还存在一定的困难。ＴｉＡｌＮ涂 层的组成受Ｎ：分压、阴极弧流及基板偏压等工艺因 素的制约１４，５］：随着Ｎ，分压的增加，ｒＡｌ／Ｔｉ升高，ｒＭ／ Ｎ减小；随着阴极弧流的增大，涂层中ｒＡｌ／Ｔｉ减小， ｒＭ／Ｎ增大；随着基体偏压的升高，ｒＡｌ／Ｔｉ和ｒＭ／Ｎ降 低（见图１）。
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Ｉ ⅢＫ 篷
ＴｉＡｌＮ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，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 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。
２００６年第４０卷Ｎ０４
９
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
Baidu Nhomakorabea
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。
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 （ＧＰａ）
杨氏模量 （ＧＰａ）
纳米划痕临界 载荷（ｍＮ）
ＴｉＮ
２７
４５０
９０
ＴｉＣＮ
５０
ＴｉＡｌＮ
３８
５５０ ６５０
１１０ １００
（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。
关键词：ＴｉＭＮ，涂层刀具，界面结合强度
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＴｉＡＩＮ Ｃｏａｔｅｄ Ｔｏｏｌｓ “ｕ Ｊｉａｎｈｕａ Ｄｅｎｇ Ｊｉａｎｘｉｎ Ｚｈａｎｇ Ｑｉｎｇｙｕ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｉＡｔＮ ｉｓ ａｎｅｗ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｈｉｓｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｇｏｏｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｓｍａｌｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ＴｉＡｌＮ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ，ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＴｉＡｌＮ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
万方数据
２国ＡｌＮ涂层工艺 涂层刀具的切削性能除与涂层材料有关外，在
１０
工具技术
很大程度上还取决于涂层工艺的技术水平，涂层与 基体的结合强度、涂层及其界面组织结构、择优取 向、各单涂层厚度及总厚度等都是决定涂层刀具性 能的重要因素。下面就从基体与涂层材料的选择和 涂层工艺参数两方面进行阐述。
涂层材料
表１几种涂层的主要性能比较
微硬度 （ＨＶ）
弹性模量 ｆＧＰａ）
最大适用 温度（ｏＣ）
ＴｉＮ
２３００
２６０
６００
ＴｉＣＮ
３０［）ｏ
３５２
４００
ＴｉＡＩＮ
３３００
３８０
９００
涂层结构
单层 单层 纳米结构
＋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－０４．０６２２）
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＴｉＭＮ， ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌｓ， ｉｎｔｅｒｆａｃｅ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｔｒｅｎｇｔｈ
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 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 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 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 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。
铣削速度 （ｍ／ｍｉｎ）
不同冷却方式下的铣削长度（ｍ）
风冷
千切削
加切削液
ｔ５７
３００
３００
２００
３１４
３００
１５０
５０
４７ｌ
３００
２００
５０
６２８
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）。
２．１基体与涂层材料的选择 对于涂层刀具材料而言，涂层与基体及不同涂 层之间的物理匹配程度影响界面应力载荷传递及材 料性能，其中尤以各层之间的热膨胀系数的匹配程 度和弹性模量的差别对材料性能的影响最大。由于 热胀失配程度和弹性模量的不同，在材料内部将形 成大小及分布不同的残余应力场。从降低残余拉应 力、提高材料强度的角度上讲，应使基体与涂层的热 膨胀系数更接近，弹性模量差较小；但从残余应力增 韧和微裂纹增韧、提高材料断裂韧性的角度来看，存 在适当的残余应力又是必要的。ＴｉＡｌＮ涂层刀具基 体一般选用高速钢或硬质合金，比如ＹＧ６、ＹＧ８、超 细晶粒ＷＣ—Ｃｏ硬质合金等，也可选陶瓷作基体。 界面结合强度是影响涂层刀具性能的重要因 素。除了选择匹配的材料外，在工艺中也可采取多 种方法来改善ＴｉＡｌＮ膜层与高速钢和硬质合金等基 体的结合强度。如：成膜前进行预溅射清洗以除去 不利于涂层与基体结合的杂质；成膜过程中用高能 粒子轰击以提高膜基间组分相互扩散能力和膜表面 原子的反应活性，降低缺陷的产生；引入如ＴｉＡｌ、Ｔｉ 等中间过渡层１７，１７］，由于过渡层与基体和过渡层与 ＴｉＡｌＮ膜层两者的结合强度显著高于ＴｉＡｌＮ膜层与 基体的结合强度，因而有了过渡层的ＴｉＡｌＮ膜层的 临界载荷明显增加，过渡层的厚度可明显影响膜层 与基体的结合强度【６．７ Ｊ。当过渡层进一步增厚时， 过渡层被剪断的几率增大，导致临界载荷缓慢下降。 界面结合强度可通过自动划痕仪测量临界载荷来确 定。 ２．２涂层工艺参数 一般来说，采用ＰＶＤ工艺可获得比ＣＶＤ工艺更 薄的涂层，且与基体结合较为牢固，同时，ＰＶＤ涂层 的沉积温度较低，在６００。Ｃ以下时对刀具材料的抗 弯强度无影响。可采用多种ＰＶＤ方法来制备ＴｉＡｌＮ 涂层刀具，比如多弧离子镀、电弧离子镀、空心阴极 离子镀、磁控溅射离子镀等。选择不同的涂层方法 所得到涂层刀具的性能有一定差异。目前，表征 ＴｉＡｌＮ涂层成分的主要参数有：ｒＡｌ／Ｔｉ和ｒＭ／Ｎ，用这 两个参数可以全面反映Ｔｉ、Ａｌ和Ｎ三者原子在涂层 中所含的比例。影响ＴｉＡｌＮ涂层性能的主要因素有
（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
图１基本偏压对ＴｉＡＩＮ涂层成分的影响
（２）空心阴极离子镀 采用空心阴极离子镀方法沉积ＴｉＡｌＮ膜层。镀 膜的主要工艺参数有：主弧电流、烘烤温度、镀膜时 间、氩流量和镀膜时的真空度。№的流量影响刀具 的硬度和界面结合力旧ｊ。如图２所示，随Ｎ２流量的 增加，膜基结合力和膜层的显微硬度呈上升趋势，达 到最大值后开始下降，因此存在一个最佳值，以使膜 基结合力和膜层的显微硬度最优。采用空心阴极离 子镀方法制备出的ＴｉＡｌＮ膜层连续、光滑、组织致 密，膜基结合力比ＴｉＮ膜层与基体之间的结合力有 较大程度的提高，但相对于其它工艺还存在一定差 异。 （３）能量脉冲等离子枪 中国科学院物理所自主开发的高能量脉冲等离 子枪能同时兼顾离子注入、物理气相沉积和等离子 体氮化等多种以真空为基础的表面处理技术的优 点，可以改进陶瓷涂层切削刀具的磨损性能。影响 薄膜沉积的工艺因素很多，包括脉冲等离子体枪内 外电极问放电电压（枪压Ｖｇｕｎ）、脉冲等离子轰击试 样次数、脉冲电磁进气阀电压、沉积室真空度、工作
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 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 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 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 ５ｎｍ），切削性能优于ＴｉＣ／Ａ１２０ｓ／ＴｉＮ涂层刀具［３｜。
万方数据
界面结合强度、涂层中Ａｌ的含量以及涂层的成分和 结构。
（ｔ渗弧离子镀
用多弧离子镀方法制备的ＴｉＡｌＮ涂层刀具的涂 层性能与靶材金属成分和工艺参数有关。一般说 来，用ＴｉＡＩ复合靶制备的涂层的均匀性优于用分离 Ｔｉ、Ａｌ靶制备的涂层。提高铝含量能较大程度地提 高膜基结合力。但是，对于高Ａｌ含量的ＴｉＡｌ复合靶 材，目前在制备工艺上还存在一定的困难。ＴｉＡｌＮ涂 层的组成受Ｎ：分压、阴极弧流及基板偏压等工艺因 素的制约１４，５］：随着Ｎ，分压的增加，ｒＡｌ／Ｔｉ升高，ｒＭ／ Ｎ减小；随着阴极弧流的增大，涂层中ｒＡｌ／Ｔｉ减小， ｒＭ／Ｎ增大；随着基体偏压的升高，ｒＡｌ／Ｔｉ和ｒＭ／Ｎ降 低（见图１）。
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Ｉ ⅢＫ 篷
ＴｉＡｌＮ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，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 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。
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
Baidu Nhomakorabea
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。
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 （ＧＰａ）
杨氏模量 （ＧＰａ）
纳米划痕临界 载荷（ｍＮ）
ＴｉＮ
２７
４５０
９０
ＴｉＣＮ
５０
ＴｉＡｌＮ
３８
５５０ ６５０
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（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。
关键词：ＴｉＭＮ，涂层刀具，界面结合强度
Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＴｉＡＩＮ Ｃｏａｔｅｄ Ｔｏｏｌｓ “ｕ Ｊｉａｎｈｕａ Ｄｅｎｇ Ｊｉａｎｘｉｎ Ｚｈａｎｇ Ｑｉｎｇｙｕ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｉＡｔＮ ｉｓ ａｎｅｗ ｃｏａｔｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ｈｉｓｈ ｈａｒｄｎｅｓｓ，ｇｏｏｄ ｏｘｉｄａｔｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ，ｓｍａｌｌ ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ａｎｄ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｆｏｕｎｄ ｂｒｏａｄ ｐｒｏｓｐｅｃｔｓ ｉｎ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｃｕｔｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ ｏｆ ＴｉＡｌＮ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌｓ ａｒｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ，ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ，ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＴｉＡｌＮ ｃｏａｔｅｄ ｔｏｏｌ ｗｅｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．