刀具涂层技术作为提高刀具切削性能的有效途径,已引起世界各国制造业的高度重视,得到了迅速的发展和推广应用。本文采用先进的闭合场非平衡磁控溅射离子镀复合PVD技术,制备了CrAlTiN多元复合涂层,研究分析了涂层特性及涂层高速钢刀具的切削性能、磨损机理和应力分布状况。用扫描电子显微电镜(SEM)和投射电子显微电镜(TEM)对涂层表面和截面的观察结果表明,磁控溅射CrAlTiN多元复合涂层与高速钢基体的匹配较为理想,涂层组织均匀、细密;结合X射线衍射(XRD)分析,涂层沿厚度具有结构和成分的双重梯度结构,以及高的热稳定性;用压痕、划痕和针盘等试验表明,涂层具有高的硬度和韧性,优异的抗摩擦、磨损性能,且与基体结合良好。用CrAlTiN多元复合涂层M2高速钢刀具进行了大量的干式车削和铣削试验,研究分析了涂层刀具的切削性能。结果表明,与未涂层刀具相比,CrAlTiN多元复合涂层M2高速钢刀具的切削性能明显改善,切削力减小,切削过程平稳,刀具磨损减小,寿命延长。用数理统计方法建立了涂层刀具切削力与刀具寿命的经验公式,揭示了切削力与刀具寿命随切削用量变化的规律。通过对刀具磨损区域的观察分析,表明涂层刀具具有与未涂层刀具明显不同的磨损形貌和磨损规律。涂层刀具的初期磨损阶段较短,正常磨损阶段明显延长;涂层能阻碍刀具磨损,但在各个磨损阶段涂层的作用不同。进一步用场发射扫描电子显微镜(FESEM)对刀具磨损表面进行成分分析,结果表明涂层车刀前刀面磨损区有少量涂层以片状结构的形式存在,涂层车刀后刀面的氧化磨损比前刀面严重;涂层铣刀前刀面的扩散磨损和氧化磨损都很小,主要是磨粒磨损,涂层铣刀后刀面涂层脱附现象明显。用有限元法(FEM)分析了涂层与未涂层M2高速钢车刀的应力分布状态,获得了其von Mises等效应力分布,发现前刀面上出现最大von Mises等效应力的区域,涂层车刀距切削刃较远,而未涂层车刀距切削刃较近。表明涂层具有保护刀具切削刃,避免产生崩刃的作用。结合对涂层车刀前刀面磨损区域的观察,发现其初期磨损区域基本上与出现最大von Mises等效应力的区域吻合,表明机械应力是导致涂层早期失效的主要原因。