T iAlN/ SiO₂ 涂层在石材刀具上的应用研究

关键词： 涂层；石材刀具；耐磨性

一、引言

石材加工是建筑装饰、市政工程的核心环节，其加工对象（花岗岩、玄武岩等）的莫氏硬度普遍达 6-8 级，且含有石英、长石等硬质颗粒，对刀具的切削性能提出严苛要求。目前，石材刀具主要采用硬质合金、高速钢等基体材料，但未涂层刀具在加工过程中，刃口易因磨粒磨损、热化学磨损导致失效，平均使用寿命仅80-120 分钟，需频繁更换刀具，不仅增加生产成本，还降低加工效率[1]。

涂层技术是提升刀具性能的关键手段，其中 TiAlN 涂层因硬度高（28-32GPa）、结合力强（ >50N ），在金属切削刀具中已广泛应用，但在石材加工的高温（ 400-600% ）、高摩擦工况下，TiAlN 易被氧化生成脆性 TiO₂ ，导致涂层剥落 [2]。 SiO₂ 作为一种高稳定性氧化物，具有低导热系数（ 0.8-1.2W/(m⋅K) ）、高抗氧化温度（ >1000^∘C ），将其与TiAlN 复合形成 TiAlN/SiO₂ 涂层，可通过“弥散强化”与“屏障保护”作用，同时兼顾耐磨性与热稳定性。

二、TiAlN/SiO₂ 涂层的基本特性与制备工艺

2.1 成分与性能优势

TiAlN/SiO₂ 涂层为纳米复合结构，其中 TiAlN 作为硬质相，提供高硬度与耐磨性，可抵御石材中硬质颗粒对刀具刃口的刮擦； SiO₂ 作为韧性相与抗氧化相，以纳米颗粒形式弥散分布于 TiAlN 基体中，一方面缓解涂层内部应力，降低开裂风险，另一方面形成致密的氧化屏障，阻止氧气与 TiAlN 反应 [3]。通过调控 Si 含量（通常为 5%-15at.% ），可实现涂层性能的平衡：当 Si 含量为 8%-12at.% 时，涂层硬度可达 30- 35GPa ，抗氧化温度提升至 650% 以上，较单一 TiAlN 涂层（抗氧化温度 500^∘C ）提高 30% 。此外，TiAlN/SiO₂ 涂层的摩擦系数（0.3-0.4）低于TiAlN 涂层（0.4-0.5），可减少刀具与石材的摩擦热生成，缓解热磨损。

2.2 主要制备工艺

目前，TiAlN/SiO₂ 涂层的制备以 PVD（物理气相沉积）为主，常用工艺包括磁控溅射与电弧离子镀：

磁控溅射：通过氩离子轰击 Ti-Al-Si 合金靶材，在刀具基体表面沉积涂层。该工艺沉积速率均匀（ 0.5-1.0μm/h ），涂层表面粗糙度低（ Ra<0.1μm ），适合石材刀具刃口的精密涂层，可避免刃口精度下降影响石材加工表面质量。但磁控溅射的涂层结合力相对较弱，需通过预处理（如基体喷砂、离子清洗）提升结合力至 45-55N_⨀ 。

电弧离子镀：利用电弧放电产生的高能离子轰击靶材，涂层沉积速率快（ 1.5-2.0μm/h) ），结合力强（ >60N ），可满足石材刀具对涂层抗剥落性能的要求。但电弧离子镀易产生宏观颗粒，需通过过滤系统优化涂层致密性，避免颗粒脱落导致刀具刃口微缺口。

实际应用中，石材刀具（如金刚石锯片、铣刀）多采用“电弧离子镀 + 磁控溅射”复合工艺，先通过电弧离子镀沉积底层（TiAl 过渡层）提升结合力，再通过磁控溅射沉积 TiAlN/SiO₂ 功能层，兼顾涂层结合力与表面精度。

三、TiAlN/SiO₂ 涂层在石材刀具上的应用优势

3.1 提升刀具耐磨性，延长使用寿命

石材加工中，刀具磨损主要表现为磨粒磨损（石材硬质颗粒刮擦刃口）与黏结磨损（石材粉末黏附刃口）。TiAlN/SiO₂ 涂层的高硬度与低摩擦系数可有效抑制这两类磨损：

磨粒磨损抑制：涂层硬度（ 30-35GPa ）远高于石材中石英颗粒（硬度 10GPa ），可抵御颗粒对刃口的切削作用。某实验数据显示：采用 TiAlN/SiO₂ 涂层的硬质合金石材铣刀，加工花岗岩时的刃口磨损量为0.12mm/100min ，仅为未涂层刀具（ 0.35mm/100min ）的 34% 。

黏结磨损抑制：涂层低摩擦系数减少石材粉末与刃口的黏附，避免“积屑瘤”形成。在大理石加工中，未涂层刀具加工 10 分钟后刃口黏附粉末厚度达 5-8μm ，而涂层刀具仅为 1-2μm ，显著降低刃口失效风险。

综上，TiAlN/SiO₂ 涂层可使石材刀具使用寿命延长 1.5-2.0 倍，减少刀具更换次数，降低加工成本。

3.2 降低切削摩擦与能耗，提升加工效率

TiAlN/SiO₂ 涂层的低摩擦系数可减少切削阻力，降低加工能耗：

切削力降低：在花岗岩铣削实验中，涂层刀具的主切削力为1200N，较未涂层刀具（1650N）降低 27% ，减少机床负载，降低能耗。

加工效率提升：因涂层刀具耐磨性与热稳定性优异，可提高切削速度（从 15m/min 提升至 25m/min ），加工效率提升 67% ，同时保证石材加工表面粗糙度（ Ra<0.8μm ）满足装饰要求。

四、TiAlN/SiO₂ 涂层的性能优化策略

4.1 涂层厚度优化

涂层厚度对性能影响显著：厚度过薄（ <1μm ）易被磨穿，无法保护基体；厚度过厚（ >5μm ）易产生内应力，导致涂层剥落。结合石材刀具工况，最佳涂层厚度为 2-3μm ：

厚度 2-3μm 时，涂层内应力（ <500MPa ）处于安全范围，结合力可达 50-60N，同时可抵御石材颗粒的长期刮擦，磨损寿命最长。实验显示， 3μm 厚涂层刀具的使用寿命较 1μm 涂层刀具提升 40% ，较5μm 涂层刀具提升 25% 。

4.2 Si 含量调控

Si 含量直接影响涂层的硬度与抗氧化性：

Si 含量过低（ <5at.% ）： SiO₂ 弥散强化作用不足，涂层抗氧化性提升有限；

Si 含量过高（ >15at.% ）：涂层易形成脆性 Si₃N₄ 相，硬度下降至25GPa 以下，耐磨性降低；

最佳 Si 含量： 8-12at.% ，此时涂层硬度达 32-35GPa ，抗氧化温度650% 以上，兼顾耐磨性与热稳定性。

五、结论

TiAlN/SiO₂ 涂层通过TiAlN 的高耐磨性与 SiO₂ 的高稳定性协同作用，有效解决石材刀具在高硬度、高温工况下的磨损问题，其应用优势主要体现在：耐磨性提升，刀具使用寿命延长 1.5-2.0 倍，降低加工成本；热稳定性增强，抗氧化温度达 650% 以上，适应高温切削；摩擦系数降低，切削力减少 27% ，加工效率提升 67% 。

通过优化涂层厚度（ 2-3μm ）、Si 含量（ 8-12at.% ）与制备工艺参数，可进一步发挥涂层性能。未来，可通过引入纳米多层结构（如 TiAlN/SiO₂ 纳米多层涂层）、掺杂稀土元素（如 Y、Ce）等方式，进一步提升涂层的韧性与抗剥落性能，为石材刀具的高性能化提供更广阔的发展空间。

参考文献

[1] 赵伟，李明，王强。石材加工刀具磨损机制及涂层防护研究进展 [J]. 工具技术，2021,55(8):1-6.

[2] 刘军，陈晓峰，张敏 .TiAlN 涂层的高温氧化行为及改性研究[J]. 表面技术，2020,49(5):189-195.

[3] 黄亮 .TiAlN/SiO₂ 复合涂层的制备及性能表征 [D]. 哈尔滨工业大学，2022.

项目：辽宁省教育厅高等学校基本科研项目；项目号：JYTQN2023125