專(zhuān)項(xiàng)素描

Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)是利用氣相沉積方法在高強(qiáng)度工具基體表面涂覆幾微米高硬度、高耐磨性難熔Ti-Al-X-N涂層，從而達(dá)到減少刀具磨損，延長(zhǎng)壽命，提高切削速度的目的。它是高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)課題取得的重要成果。

重大突破

這一技術(shù)打破了國(guó)外企業(yè)在高端刀具涂層技術(shù)領(lǐng)域的壟斷，提高了高檔涂層刀具的國(guó)產(chǎn)化率，為汽車(chē)、航空等重點(diǎn)用戶提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

應(yīng)用前景

株洲鉆石刀具在關(guān)鍵的涂層技術(shù)上取得突破，使汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體某關(guān)鍵部件加工的刀具成本降低了30%，將其典型用戶——奇瑞汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)加工刀具國(guó)產(chǎn)化率從20%提升至47%，在替代進(jìn)口，滿足重點(diǎn)行業(yè)急需方面具有重大意義。

中國(guó)作為制造大國(guó)已是不爭(zhēng)的事實(shí)。但我國(guó)在數(shù)控切削刀具技術(shù)方面與國(guó)外相比仍存在差距，突出表現(xiàn)在先進(jìn)涂層制造和涂層技術(shù)的基礎(chǔ)研究方面。Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)的成功應(yīng)用，一舉打破了國(guó)外強(qiáng)勢(shì)企業(yè)在高端刀具領(lǐng)域的壟斷，為提高刀具的國(guó)產(chǎn)化率打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為更好地滿足重點(diǎn)行業(yè)需求創(chuàng)造了條件，具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

承載刀具核心技術(shù)

機(jī)床被稱(chēng)作“制造機(jī)器的機(jī)器”。如果說(shuō)高檔數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代工業(yè)文明的藝術(shù)品，那么高端硬質(zhì)合金精密刀具便是藝術(shù)品上的鉆石，而鉆石閃耀的光芒源自于刀具表面幾微米厚的精密涂層。

據(jù)了解，涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性。原因是涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了磨損，使得刀具壽命提高3～10倍以上，切削速度提高20%～100%。可以說(shuō)，薄薄一層涂料承載著刀具的核心技術(shù)。

目前涂層刀具在切削刀具中占的比例已達(dá)到80%。由于國(guó)外企業(yè)在高端刀具領(lǐng)域占據(jù)壟斷地位，在我國(guó)數(shù)控機(jī)床專(zhuān)項(xiàng)中，刀具及其核心涂層技術(shù)的地位日益受到重視，對(duì)涂層技術(shù)的突破被列入多項(xiàng)課題研究中。

趕超國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平

株洲鉆石公司自主研發(fā)Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)的道路并非一帆風(fēng)順。初期引進(jìn)涂層生產(chǎn)線時(shí)，株鉆只能生產(chǎn)普通的Ti-N和Ti-Al-N涂層。通過(guò)消化吸收，科研工作者開(kāi)發(fā)出具有納米結(jié)構(gòu)的Ti-Al-N涂層，比普通Ti-Al-N涂層性能有一定的提高，但仍舊不能滿足刀具行業(yè)發(fā)展的需要。在此形勢(shì)下，株鉆成立研發(fā)團(tuán)隊(duì)，以專(zhuān)項(xiàng)課題精密工具創(chuàng)新能力平臺(tái)建設(shè)為契機(jī)，開(kāi)展新型高性能涂層的集中攻關(guān)工作。

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，課題組選擇了最優(yōu)的Ti-Al-X-N涂層，其抗氧化性能和硬度都較Ti-Al-N涂層高，但其切削性能和Ti-Al-N相比并無(wú)顯著提升。為了搞清楚涂層性能為何達(dá)不到預(yù)期效果，研發(fā)團(tuán)隊(duì)首先將新涂層從基體上剝離下來(lái)研磨成粉末進(jìn)行差示掃描量熱儀分析，分析涂層在高溫下的相結(jié)構(gòu)演變、調(diào)幅分解過(guò)程。通過(guò)不懈努力，課題組制備出了優(yōu)化納米復(fù)合多層結(jié)構(gòu)涂層nc-TiAlN/Si3N4。

據(jù)了解，Ti-Al-X-N新型涂層技術(shù)已獲得9項(xiàng)專(zhuān)利且全部為發(fā)明專(zhuān)利。PVD涂層產(chǎn)品硬度高于40GPa，達(dá)到超硬效應(yīng)。在1100℃下空氣氣氛中氧化10小時(shí)后，涂層仍未完全氧化。在1100℃回火后，涂層的硬度仍能維持40GPa以上，與基體的結(jié)合強(qiáng)度超過(guò)90N。同期自主開(kāi)發(fā)的CVD涂層α-Al2O3厚度達(dá)10微米，涂層結(jié)合力超過(guò)80N，加工鑄鐵切削速度可達(dá)500米。產(chǎn)品經(jīng)用戶使用對(duì)比，在模具加工行業(yè)已達(dá)到或超過(guò)了國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品先進(jìn)水平。