涂層刀具的出現(xiàn)是刀具發(fā)展史上的重大突破，它具有良好的切削性能，而且涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障，減小了月牙洼磨損，耐磨性良好。與未涂層刀具相比，涂層刀具加工精度提高0．5～1級，刀具消耗費用降低20％～50％，耐磨性提高2～10倍，切削速度提高25％～70％，使用壽命延長3～5倍 。
多年來，困內(nèi)外涂層刀具的研究主要集中在TiN涂層上，并取得了一定的成效，目前TiC、TiN等單涂層刀具已經(jīng)大量產(chǎn)業(yè)化。為了進(jìn)一步提高涂層刀具的使用性能，以（Ti，Al）N涂層為代表的多元復(fù)合涂層刀具近10年得到了廣泛的應(yīng)用。目前，多元多層復(fù)合涂層刀具的發(fā)展在國內(nèi)尚屬于起步階段，以期獲得更完善的綜合性能。
1 單涂層刀具的切削性能
1．1 TiC系涂層刀具
TiC涂層刀具的優(yōu)越性表現(xiàn)在高的切削速度和優(yōu)良的抗機械磨損、磨料磨損性能上。用涂層刀具車削中碳鋼時，其后刀面及前刀面磨損速度分別只有未涂層刀具的l／10及1／l00，具有良好的抗月牙洼磨損能力；在耐磨性相同時，其切削鋼的速度可提高50％～l00％，有時可高達(dá)2～3倍；銑削45#鋼時，其刀具耐磨性比硬質(zhì)合金銑刀高3倍，切削效率可提高50％。TiC涂層刀具具有較小的切削力和較低的切削溫度，應(yīng)用溫度為300℃左右。
但是，TiC涂層脆性大，不耐沖擊。在沉積TiC涂層時，基體與涂層之間生成脆性的中間層η相（Co3 W3C）。這是由于C的不足，WC置換生成W2C，它與WC的粘合劑Co結(jié)合生成η相。η相過厚會造成TiC涂層的破碎。實驗證明，η相控制在1～2μm時刀具耐磨性高，涂層不會產(chǎn)生宏觀裂紋或脫落現(xiàn)象。
TiC涂層刀具適合在中速或高速條件下使用。這是由于在高速高溫下，TiC涂層刀具具有良好的抗擴散和抗氧化性能；而在低速低溫下，刀具磨損以粘結(jié)磨損和磨料磨損為主，涂層刀具表面脆性較大，抗拉強度低，而且還常常存在殘余應(yīng)力，容易產(chǎn)生剝落和崩刃現(xiàn)象，刀具耐磨性甚至還低于未涂層的刀具。
1．2 TiN系涂層刀具
TiN涂層月具是第一種產(chǎn)、業(yè)化、并在刀具行業(yè)得到廣泛應(yīng)用的硬質(zhì)涂層刀具。目前國內(nèi)外的刀具公司都有TiC和TiN涂層牌號的產(chǎn)品。盡管經(jīng)過30多年的發(fā)展，涂層家族已出現(xiàn)了許多新的成員，但至今主流涂層仍是TiN涂層，同時它也是制備其它高性能涂層的基礎(chǔ)。
與TiC涂層刀具相比，TiN涂層刀具具有更低的摩擦系數(shù)和切削變形系數(shù)，因而切削力也更小。而且它的抗粘結(jié)溫度高，切削溫度為500℃左右，抗月牙洼磨損性能好。TiN涂層刀具適用于硬質(zhì)難加工材料及精密、形狀復(fù)雜的軸承等耐磨件，對易粘結(jié)在刀具前刃面上的工件，切削效果更明顯。目前發(fā)達(dá)國家中，TiN涂層刀具的使用率占刀具總數(shù)的50％～70％，有些不可重磨的復(fù)雜刀具的使用率已超過90％。經(jīng)TiN涂層后的絲錐耐磨性可提高5～10倍；鉆頭耐磨性提高3～10倍；銑刀耐磨性提高6～10倍。TiN涂層刀具的使用壽命也得到了普遍的延長，涂層后的高速鋼鉆頭壽命延長5～7倍；硬質(zhì)合金銑刀的壽命延長3～11倍；M3滾刀的壽命提高8倍多。

1．3 Al2O3系涂層刀具
Al2O3涂層是氧化物陶瓷涂層，它的刀具切削性能優(yōu)于TiC和TiN涂層刀具。Al2O3涂層刀具具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗高溫氧化能力，因此具有更好的抗月牙洼磨損和抗刃口熱塑性變形的能力，適用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃和打刀的場合。在連續(xù)切削的條件下，涂層的耐磨性和熱穩(wěn)定性是影響刀具耐磨性的主要因素。Al2O3。涂層刀具由于具有高的硬度和優(yōu)良的抗氧化能力，其切削性能優(yōu)于TiC涂層刀具；但在斷續(xù)切削條件下，由于有沖擊力的作用，涂層的韌性成為影響耐磨性的主要因素。Al2O3涂層刀具的韌性較差，故其耐沖擊性能遠(yuǎn)不如TiC和TiN涂層刀具。用Al2O3 涂層的硬質(zhì)合金刀具加工汽車鑄鐵剎車盤、剎車鼓和軸承蓋時，其耐磨性比TiC涂層刀具高2～4倍，比普通的硬質(zhì)合金刀具高6～8倍。
1．4 其它XN系涂層刀具（x=Cr，Zr，Hf等））
CrN系涂層因其具有良好的抗氧化、耐腐蝕及抗磨損性能而受到較多的關(guān)注。它在抗微動磨損上表現(xiàn)尤佳，抗氧化溫度高達(dá)700℃，但脆性比較大。CrN涂層刀具主要用于塑膠模具、沖頭等零部件的加工，由于它是無鈦涂層，可以有效地切削鈦、鈦合金及鋁合金等軟材料，而且它可達(dá)到極高的沉積速率且其工藝較易控制，有利于大批量的工業(yè)生產(chǎn)，所以更加具有實際意義。#p#分頁標(biāo)題#e#
ZrN系涂層刀具的耐磨性是TiN涂層刀具的3倍，涂層與基體有很牢固的結(jié)合強度，因此有很高的耐沖擊性，它的抗氧化溫度為700℃，具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性能。ZrN涂層刀具已在鋁合金、銅合金及一些精密工件的切削加工上獲得了廣泛的應(yīng)用。由于ZrN涂層可以減少與Ti合金的粘結(jié)磨損，很適用于切削Ti及Ti合金，用于Ti合金鋼板的ZrN涂層鉆頭的壽命比TiN涂層鉆頭的長l倍多。J A Sue等將ZrN、TiN等涂層與鎳鉻718合金配副，在500℃時ZrN的耐高溫磨損性能優(yōu)于TiN涂層。Jie Gu等將ZrN涂層應(yīng)用于高速切削刀具，能有效降低刀具的磨損，提高工件的切削質(zhì)量。
HfN系涂層的熱膨脹系數(shù)非常接近硬質(zhì)合金基體，刀具的熱應(yīng)力很小，不易崩刀。而且與很多高熔點材料相比，HfN涂層的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高，在溫度高達(dá)1200℃時仍有3000HV的硬度，沒有生成脆性η相，因此HfN涂層刀具具有良好的耐磨性能。目前，美國Teledyne公司牌號為HN+4的刀片及德國Walter公司牌號為WHN的刀片都是HfN涂層刀片。
此外，由于TiC、TiN涂層與鈦合金和鋁合金材料之間的親和力會使摩擦力增大，產(chǎn)生粘屑。而BN、VN、Mo2N、Cr2O3等涂層化學(xué)穩(wěn)定性好，適于切削Ti、Cu、Al及其合金材料。
2多元復(fù)合涂層刀具的切削性能
單涂層刀具由于基體與涂層兩者的彈性模量及熱膨脹系數(shù)相差較大，晶格類型也不盡相同，導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加、結(jié)合力較低。在單涂層中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高耐磨性，加入Si提高硬度和抗化學(xué)擴散）制備出多元復(fù)合涂層，可降低涂層的成分離析效應(yīng)，并明顯提高涂層刀具的切削性能及耐磨性能。
2．1 Ti（C，N）系涂層刀具
Ti（C，N）涂層兼有TiC的高硬度和TiN的良好韌性，在涂鍍過程中可通過連續(xù)改變C和N的成分來控制涂層的性質(zhì)，形成不同成分的梯度結(jié)構(gòu)，減小涂層的內(nèi)應(yīng)力，阻止裂紋擴展，減少崩刃。Ti（C，N）涂層刀具有效地控制了脆性l相的生成，提高了刀具的耐磨性及韌性。Ti（C，N）高韌性涂層刀具特別適用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時比YTl4、YTl5硬質(zhì)合金刀具的耐磨性高5～8倍。近年來，以Ti（C，N）為基的四元成分新涂層材料，如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等也紛紛出現(xiàn)。
成都工具研究所開發(fā)了我國首創(chuàng)的Ti-C-N-O-A1和Ti-C-N-B 2個系列的高性能涂層，具有優(yōu)異的機械性能和切削性能，主要用于汽車刀具及Hertel系列螺紋梳刀片上。
2．2 （Ti，Al）N系涂層刀具
（Ti，Al）N涂層既具有接近TiC的高硬度、高耐磨性，又具有與TiN涂層相當(dāng)?shù)慕Y(jié)合強度。當(dāng)溫度超過750℃時，Al元素使涂層的外表面形成一層極薄的非晶態(tài)Al2O3,從而形成硬質(zhì)惰性保護涂層，可以阻止進(jìn)一步氧化，大大提高涂層的抗氧化性。所以（Ti，Al）N涂層具有優(yōu)于TiC、TiN、Ti（C，N）等涂層的機械物理性能，這使得它適用于高速切削和干式切削。
（Ti，Al）N涂層刀具能有效地用于連續(xù)高速切削，尤其適用于高合金鋼、不銹鋼、高硅鋁合金、鈦合金、鎳合金等工件。在要求高耐磨性的條件下，TiN涂層刀具剛到磨損平緩區(qū)就超出切削要求而失效，而（Ti，Al）N涂層刀具經(jīng)過平緩區(qū)后才開始磨損加劇而失效。又鑒于TiN涂層在高溫性能方面所表現(xiàn)的不足，（Ti，Al）N涂層刀具有望部分或完全替代TiN，刀具壽命比TiN延長3～4倍。近年來，德國SGS、日本住友等國外著名刀具公司先后推出了（Ti，Al）N涂層銑刀，它們能直接高速切削淬硬鋼，在淬硬鋼的半精及精加工中發(fā)揮著巨大作用。實驗證明，（Ti，AI）N涂層銑刀是目前高速銑削淬硬鋼中最理想的刀具。
從環(huán)境保護的角度來看，迫切需要干加工技術(shù)的快速發(fā)展。（Ti，Al）N涂層刀具由于具有良好的紅硬性、抗氧化性及比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導(dǎo)系數(shù)，成為干切削加工中最好的涂層刀具。在高溫連續(xù)切削時，（Ti，Al）N干式切削性能大大強雖于TiN。（Ti，Al）N涂層鉸刀在干式切削和2倍常規(guī)切削速度的條件下，其斷面磨損量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于（Ti，Zr）N涂層鉸刀和ZrN涂層鉸刀。#p#分頁標(biāo)題#e#
目前，在美、德、日等國家，（Ti，Al）N涂層刀具占所有涂層刀具的10％左右，且有上升趨勢。例如，Kennametal公司的H7刀片和Balzers公司的X．CEED刀片都是（Ti，AI）N涂層。三菱公司的MIRACLE涂層是含Al豐富的（A1，Ti）N涂層，實現(xiàn)了對淬火鋼的直接加工。另外，德國CemeCon公司開發(fā)的TiAlBN涂層，在加工過程中會產(chǎn)生“實時”現(xiàn)象，即通過8擴散形成BN、B2N3，從而得到有利于切削加工的潤滑涂層。日立公司還開發(fā)了在高溫下具有高硬度、高韌性及低摩擦系數(shù)的TiAlCN涂層，它們適用于車、銑、滾齒、攻牙及沖壓等工藝。
2．3 （Ti，x）N系涂層刀具（X=Cr，Si等）
（Ti，Cr）N涂層由于Cr元素的加入使硬度提高到3200HV左右，并有利于提高基體與涂層的結(jié)合強度，使刀具在700℃時還具有良好的抗氧化性，（Ti，Cr）-N涂層刀具適合高速加工，切削速度可達(dá)400m／min以上，是一種很有發(fā)展前景的新型涂層。
（Ti，Si）N涂層刀具的抗高溫氧化性能明顯提高。日立公司開發(fā)的適于硬切削的（Ti，Si）N涂層刀具具有3500HV的硬度和ll00℃的開始氧化溫度，使用壽命較TiN涂層刀具延長3～5倍。
2．4 （Ti，Al，X）N系涂層刀具（X=Cr，Si，Y，zr等）
向（Ti，AI）N中添加Cr、si、Y元素可以使涂層保持高硬度，而且還具有更好的抗氧化性能，氧化溫度為950℃。當(dāng)致密的保護性Al2O3膜形成以后，Cr能提高抗氧化性能，使涂層表面在高溫下形成Cr2O3。等惰性氧化物和共價鍵AlN，這有利于刀具在高溫下保持高的硬度、韌性和結(jié)合力。這些優(yōu)良性能使（Ti，Al，Cr）N涂層刀具具有更好的切削性能和長得多的使用壽命，且端面磨損量遠(yuǎn)低于（Ti，Al）N。M2高速鋼麻花鉆經(jīng)（Cr，Ti，Al）N涂層后，在于式切削條件下鉆削45#鋼、30CrMnSiA和D406A高強度鋼時，鉆頭的壽命比未涂層的分別延長約l9倍、l5．2倍和6倍。
（Ti，Al，Zr）N涂層刀具的硬度進(jìn)一步提高到3500HV左右，但加入Zr元素會在高溫下形成ZrO，妨礙致密Al2O3防護層的生成，從而降低其抗氧化性。（Ti，Al，Si）N涂層刀具的氧化溫度為1100℃，切削性能及耐磨性明顯優(yōu)于（Ti，Al）N涂層。目前，Teer公司已經(jīng)將（Ti，Al，Cr）N、（Ti，Al，Si）N等涂層刀具用于對耐磨性、耐腐蝕性有較高要求的工件上。
2．5 其它非Ti基涂層刀具
日立公司以Cr元素代替Ti元素，開發(fā)出具有潤滑性的（Cr，Si）N涂層刀具及具有超強耐氧化性的Al，Cr，Si）N涂層刀具。它們更適用于鋁、不銹鋼等粘結(jié)性強的材料加工。
Balzers公司開發(fā)的G6刀具是（A1，Cr）N涂層，它的性能明顯優(yōu)于Ti基涂層，具有3200HV的顯微硬度，使用溫度達(dá)到1000℃，韌性超過，Ti基涂層，可顯著減小刀具的摩擦磨損，顯著延長使用壽命，更適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工。BA-LINITAI_GRONA涂層是G6刀具的首種產(chǎn)品，該銑刀和滾刀適用于非合金鋼、高強度和高硬度鋼的干式切削，也適用于高熱應(yīng)力的加工。
3 多元多層復(fù)合涂層刀具的切削性能
3．1 簡單多層復(fù)合涂層刀具
多元涂層與基體的熱膨脹系數(shù)和彈性模量存在差異，在結(jié)構(gòu)和性能上的匹配性較差，刀具往往會過早失效。多層梯度結(jié)構(gòu)能極大地緩沖這些缺陷，增大涂層與基體的結(jié)合力；多層界面可打斷柱狀晶的生長，阻礙裂紋的擴展，提高表面的硬度；涂層和過渡層組成了穩(wěn)定的耐磨損耐沖擊強化區(qū)，提高了韌性，從而使涂層的使用性能增強。目前，應(yīng)用得較多的是層數(shù)在2～7之間的涂層刀具。
最早的多層涂層刀具是由TiN、TiC和Ti（C，N）組成的，每層涂層厚為數(shù)微米。TiC／TiN雙涂層刀具兼有TiC的高硬度和高耐磨性，并有TiN良好的耐沖擊性和良好韌性，涂層與鋼之間的摩擦系數(shù)小，抗氧化溫度達(dá)700℃左右，它能滿足高強度鋼的高速精加工要求。TiN／Ti（C，N）雙涂層能提高刀具的使用壽命、耐蝕性及抗開裂性。它的絲錐攻削鑄鐵件螺孔，攻絲效率平均提高5．59倍；它的高速鋼鉆頭鉆削40Cr鋼，切削壽命比涂TiN的鉆頭長3倍。#p#分頁標(biāo)題#e#
A12O3涂層有很多優(yōu)良的性能，但Al2O3。與基體的結(jié)合強度較差。由于TiC、TiN的熱膨脹系數(shù)接近基體，所以常用作多層涂層的底層。美國Carmet公司生產(chǎn)的牌號為54S的刀片是在含有TiC的基體上涂5／μm厚的Al2O3涂層，其抗后刀面磨損性能優(yōu)于TiC和AI2O3涂層，用于高速切削時具有良好的切削性能。
劉建華等采用多弧離子鍍方法，在YG6、YTl4硬質(zhì)合金基體上沉積ZrN／TiN復(fù)合涂層，涂層刀具切削力降低了20％；提高了涂層刀具的耐磨性能，有效地緩解了硬質(zhì)合金刀具的后刀面磨損。
三涂層的組合方式很多，例如TiC／Ti（C，N）／TiN、TiC／TiN／Al2O3、TaC／TiC／TiN等，它們都是利用各涂層的優(yōu)點，根據(jù)不同的切削條件組合而成的。最常見的是TiC／Ti（C，N）／TiN涂層，它的切削及耐磨性能好于TiC／TiN雙涂層，大多數(shù)涂層刀具廠家都有這種涂層刀具。Sandvik公司的GC415刀片是TiC／TiN／Al2O3涂層，其抗磨損能力優(yōu)于Si3N4。日本不二越公司開發(fā)的SG新型涂層，其結(jié)構(gòu)為TiN／Ti（C，N）／Ti，它的結(jié)合強度高，表層為Ti系特殊涂層，具有極好的耐熱性。
黃元林等在LF6防銹鋁的基體上采用多弧離子鍍技術(shù)沉積了Ti（C，N）／TiN／Ti（C，N）／TiN／Ti（C，N）／TiN 6層涂層，它的結(jié)合強度良好，耐磨性提高了10倍以上。
3．2 納米復(fù)合涂層刀具
近幾年來，隨著納米技術(shù)和涂鍍工藝的發(fā)展，納米復(fù)合涂層刀具已引起了廣大研究者的關(guān)注。盡管這些涂層大多是實驗室的結(jié)果，但它們顯示出了良好的切削前景，將是今后涂層刀具的應(yīng)用熱點。21世紀(jì)以來，TIN／（Ti，Al）N、TiN／Ti（C，N）、TiN／CrN等納米復(fù)合涂層刀具已在世界發(fā)達(dá)國家中逐漸實現(xiàn)了商業(yè)化，使用壽命延長了近10倍。
住友公司開發(fā)的ACl05G等牌號的刀具是TiN／AlN納米復(fù)合涂層，層數(shù)可達(dá)2000層，每層厚度約為lnm。這種涂層的硬度接近CBN，抗剝離性強，而且可顯著改善刀具表面粗糙度，其壽命是TiN、（Ti，Al）N涂層的2～3倍。Balzers公司的FU—TUNA NANO和FUTUNA TOP刀片是2種（Ti，Al）N納米復(fù)合涂層，其硬度約為3300HV，氧化溫度為900℃。（Ti，AI）N還可與其它涂層組成復(fù)合涂層，目前（Ti，Al）N／Al2O3涂層已研究成功，其硬度可達(dá)4000HV，涂層數(shù)為400層，單層厚度為5nm，切削性能優(yōu)于TiC／Al2O3／TiN涂層刀具。CemeCon公司利用磁控濺射生產(chǎn)的（Ti，Al）N／Al2O3。涂層，溫度低于450℃，在高性能合金材料上取得了滿意的結(jié)果。日立公司開發(fā)的（Ti，Si）N納米復(fù)合涂層刀具，其加工效率可提高2倍以上。同時，該公司還開發(fā)了適用于軟鋼加工的（Cr，Si）N納米復(fù)合涂層刀具。三菱綜合材料神戶工具采用先進(jìn)的單相（A1，Ti，Si）N納米復(fù)合涂層技術(shù)生產(chǎn)的立銑刀，氧化溫度達(dá)到1300℃，與基材的結(jié)合力達(dá)l00N，可大幅延長刀具的壽命。
4 結(jié)語
涂層刀具在切削加工中的應(yīng)用效果十分顯著，特別適用于高速切削、干切削及難加工材料的加工，尤其是在數(shù)控機床及自動線加工中經(jīng)濟效果顯著。涂層刀具延長了刀具的使用壽命增大了機械加工的切削用量，提高了工件的表面質(zhì)量，改善了切削環(huán)境。多元多層復(fù)合涂層刀具，尤其是納米復(fù)合涂層刀具可以發(fā)揮多種材料的優(yōu)點，大大提高了刀具的切削性能和耐磨性能，成為刀具涂層體系中較完美的設(shè)計，并為超硬涂層在刀具業(yè)上的擴大應(yīng)用提供了廣闊空間。目前，國外先進(jìn)的涂層刀具技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了第5代水平，而國內(nèi)還仍在第2代技術(shù)水平上，比國外的技術(shù)落后l0年左右。我國涂層刀具的理論研究基本上與國外接軌，但如何指導(dǎo)工業(yè)化生產(chǎn)及進(jìn)一步進(jìn)行新技術(shù)的研發(fā)必須引起我們的思考和重視。