涂層刀具兼具基體材料強度高、韌性好以及涂層材料高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、良好熱穩(wěn)定性、良好抗高溫氧化性等優(yōu)點，有效解決了刀具硬度和韌性這對矛盾，即硬度高時，韌性通常較差；韌性好時，硬度一般不高，改善了刀具切削性能，減少了刀具破損和磨損，提高了刀具耐用度。

目前最常用的兩種刀具涂層工藝為化學(xué)氣相沉積法（Chemical VaporDeposition）和物理氣相沉積法（PhysicalVapor Deposition）。PVD是在真空條件下，采用電弧放電技術(shù)使靶材蒸發(fā)并與周圍氣體一起電離，金屬原子通過氣相反應(yīng)過程，利用電場的加速作用，在基體表面沉積出具有某種功能的涂層。CVD沉積溫度高達1000-1100℃，超出了許多材料的處理溫度，即使采用硬質(zhì)合金也會產(chǎn)生G相缺陷，另外可用CVD工藝涂層材料的類別較少，應(yīng)用于切削刀具僅TiC、TiN、TiCN、Al2O3等。PVD加工溫度一般在250-450℃之間，較CVD處理工藝溫度低，不改變基體材料強度，故刃口可刃磨至十分鋒利，易切入工件，更有利于切削加工；降低了表面的摩擦系數(shù)，減少了因摩擦而引起的彈、塑性變形，減小了切削熱的產(chǎn)生量；不使用切削液，對環(huán)境影響較小，符合綠色制造發(fā)展方向。

1  PVD涂層刀具及其壽命研究進展

常用的PVD技術(shù)有單一PVD技術(shù)和復(fù)合PVD技術(shù)。單一PVD技術(shù)因其固有技術(shù)特點，已不能滿足高速切削對于刀具的苛刻要求。復(fù)合PVD技術(shù)則將不同的單一PVD技術(shù)以不同方法和順序加以組合，以獲取具有優(yōu)異綜合性能的刀具涂層。發(fā)展至今，比較成熟的PVD工藝有：閉合場非平衡磁控濺射、電子束物理氣相沉積，離子束增強沉積。涂層材料已有氮化物、碳化物、氧化物等。涂層元素組成也由二元發(fā)展到了多元，層數(shù)也從單層到了多層。涂層結(jié)構(gòu)新開發(fā)有梯度結(jié)構(gòu)，納米結(jié)構(gòu)。涂層厚度已經(jīng)從微米級發(fā)展至亞微米級、納米級。

(1)單層涂層刀具壽命研究現(xiàn)狀

 ①二元氮化物涂層刀具壽命

TiN涂層室溫下硬度可達2100-2300Hv，摩擦系數(shù)小，有較好的抗粘著磨損特點，研究最早且應(yīng)用最為廣泛，常用于鉆頭、銑刀等。同未涂層刀具相比，TiN涂層刀具后刀面耐用度提高了2-4倍，有TiN涂層的鉆頭使用壽命提高了5-7倍，有TiN涂層的銑刀的使用壽命提高了3-11倍。

CrN涂層較TiN涂層硬度高，耐磨性好，內(nèi)應(yīng)力低，尤其是耐腐蝕性能更好，抗高溫氧化性能更好。CrN涂層相比于未涂層、TiN、TiAlN涂層，鉆削性能更加優(yōu)異，可明顯提高高速鋼刀具的切削性能。有研究表明，經(jīng)優(yōu)化后的CrN涂層鉆頭使用壽命約為未涂層鉆頭的5倍。

由于高速切削和干切削發(fā)展，進一步對刀具材料性能提出了更高的要求，相應(yīng)二元常用涂層TiN也正被性能更優(yōu)異的三元涂層TiAlN所替代。因為刀具涂層性能與其化學(xué)組成有著緊密聯(lián)系，在二元涂層加入其他元素可有效改善涂層性能，如加入Al，Cr可形成致密的Al2O3和Cr2O3膜，可增強涂層抗氧化和耐腐蝕能力；加入Zr，生成ZrO2薄膜，可提高涂層耐磨性；加入Si可細化晶粒，提高硬度，增強抗化學(xué)擴散能力，增強膜基結(jié)合力；加入C可提高硬度，可細化晶粒，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)。涂層材料成分多元化，成為今后研究趨勢。

②多元氮化物

TiCN涂層硬度高，較高切削速度下可減小摩擦系數(shù)，其中C含量可細化晶粒，優(yōu)化組織結(jié)構(gòu)，可提高硬度，改善刀具切削性能，延長刀具壽命。李銀成等在優(yōu)化條件下制備的TiCN涂層的硬度最高可達38.5 GPa，遠高于TiN涂層的27.9 GPa硬度。TiCN涂層鉆頭在鉆孔數(shù)為TiN涂層鉆頭兩倍時的磨損量仍低于TiN涂層鉆頭。

TiAlN涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能，較TiN涂層化學(xué)穩(wěn)定性好，抗氧化能力強，更耐磨損，廣泛應(yīng)用在刀具表面，改善切削性能。圖2為宋昌才等用三種不同涂層刀具高速銑削模具鋼(52HRC)后刀面的磨損量的比較，TiAlN涂層銑刀磨損平緩；在高切削速度下，磨損量遠低于另兩種刀具；在切削速度為150m/min時，工作壽命較TiN涂層刀具和未涂層刀具約分別提高2倍和3倍。魏莎莎等用兩種涂層刀具分別鉆削、銑削S50C模具鋼并作壽命對比，結(jié)果表明，鉆削時TiAlN較TiCN涂層刀具耐用度約提高了3-4倍，銑削時約提高了1-2倍。

Al元素含量對TiAlN涂層刀具切削性能產(chǎn)生影響，含鋁量較高時，刀具切削性能好。圖3為龍震海等研究的不同配比涂層刀具壽命T和切削速度v的T-v曲線，由于T02型刀具涂層Al含量更高，切削時發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生的高硬度、高熱穩(wěn)定性的Al2O3組織更多，使用壽命相應(yīng)更長。

在AlN基礎(chǔ)上添加Cr元素形成的AlCrN涂層硬度在32GPa，耐磨性好，熱化學(xué)穩(wěn)定性好，抗高溫氧化性能優(yōu)于TiAlN涂層。研究表明，在Al含量小于40at%的范圍內(nèi)，涂層顯微硬度隨著Al含量升高而增大，摩擦系數(shù)隨著Al含量增大而減小，最佳摩擦系數(shù)在0.29-0.38之間，而且涂層結(jié)合強度更高。Cr含量的高低則影響高溫穩(wěn)定性，當(dāng)在30at%以內(nèi)時，即便1200℃高溫環(huán)境下仍大量存在著六方AlCrN基結(jié)構(gòu)，因此抗高溫氧化性能好。圖4為王新永等用AlCrN涂層刀具以不同速度對高溫鎳基合金進行了切削試驗，在不同切削速度下，AlCrN涂層刀具磨鈍時間約分別為130min、25min和11min，更適用于低速切削；當(dāng)切削速度為20m/min時，AlCrN涂層刀具的刀具壽命達130 min左右，約為TiA1N涂層刀具的1. 5倍，為未涂層YW1刀具的6. 0倍。          

TiAlSiN涂層硬度達3700Hv，且氧化溫度達到了1300℃，其膜基接合力高達100N。圖5為李佳等用TiAlN涂層刀片與TiAlSiN涂層刀片切削不銹鋼材料時發(fā)現(xiàn)，TiAlSiN涂層刀片的壽命較TiAlN涂層刀片壽命有所提高，在切削速度為120/min時，約提高了20%。

AlCrTiSiN涂層，隨著Al/Cr比由0.4減小到0.2，涂層硬度和結(jié)合率增加，摩擦系數(shù)和磨損率下降，此外，Si和O的結(jié)合，形成SiO2氧化膜，進一步降低了涂層的磨損率。牛寶林等用三種不同刀具切削45鋼和鑄鐵，對比其使用壽命。結(jié)果表明，AlCrTiSiN涂層刀具使用壽命均比AlCrN涂層刀具長，切削鑄鐵時，約為1.6倍；切削45鋼時，約為2倍；無涂層刀具的最差。

近些年來，有研究人員進行了超硬涂層的研究與制備。超硬涂層材料硬度高于4000Hv，較硬質(zhì)涂層，摩擦系數(shù)更小，切削變形小，切削力小，產(chǎn)生的切削熱少，抗磨損性能好。下面介紹了類金剛石涂層、氮化碳涂層、氧化鋁涂層的抗磨損性能研究。

③碳化物涂層

類金剛石涂層(DLC)硬度極高、摩擦系數(shù)低、與非鐵金屬親和力小，常用來加工石墨、復(fù)合材料等。用不同涂層刀具對碳纖維復(fù)合材料的加工試驗結(jié)果表明，TiAlN和TiCN涂層鉆頭較未涂層鉆頭磨損小，但DLC鉆頭的耐磨性和已加工表面精度明顯優(yōu)于另外兩種涂層。

吳大維等采取DC磁控濺射方法制備C3N4薄膜，最高顯微硬度可達58.46Gpa，耐磨性能優(yōu)異。表1為鉆孔壽命試驗結(jié)果，C3N4涂層麻花鉆的平均壽命是TiN涂層麻花鉆的2.7倍，是未涂層麻花鉆的67.8倍。

④氧化物

 Al2O3涂層硬度極高，較Cr2O3有更好的耐蝕性、熱穩(wěn)定性?；诩す馊鄹布夹g(shù)，Hong等研究三種不同Al2O3含量NiCoCrAlY涂層(高溫防護涂層)高溫摩擦磨損行為。結(jié)果表明，添加1.0 wt% nano-Al2O3p 的涂層，表現(xiàn)最為優(yōu)異，磨損率僅為未涂層的58%。磁控濺射Al2O3、Cr2O3涂層與銅合金室溫下的環(huán)塊干摩擦性能，研究表明，Al2O3耐磨損性能要優(yōu)于Cr2O3。

由于加工材料的復(fù)雜化，多元涂層有時也并不能滿足加工要求，正逐漸被多層復(fù)合涂層替代。根據(jù)待加工工件材料和切削條件，涂覆不同功能涂層，以達到理想切削效果。尤其在硬涂層上涂覆軟涂層（MoS2、WC/C等），從而獲得低摩擦系數(shù)的涂層表面和結(jié)合強度高，硬度高的涂層底層，成為研究熱門。

(2)多層涂層

陳政文等研究多層稀土TiAlN/Ta硬質(zhì)合金涂層刀具在車削加工45淬火鋼的切削性能，并同TiAlSiN涂層刀具對比發(fā)現(xiàn)：TiAlN/Ta涂層刀具受到的切削力、被加工件表面粗糙度值、磨損量都略小于TiAlSiN涂層。蘇宇輝等利用離子滲氮/離子鍍工藝在高速鋼鉆頭和高速鋼銑刀上合成NL/TiN和NL/TiCrN涂層，并對調(diào)質(zhì)40Cr鋼進行了切削實驗。結(jié)果表明： NL/TiCrN復(fù)合涂層高速鋼銑刀壽命，較TiCrN涂層高速鋼銑刀提高約30%。

小結(jié)

涂層材料由原TiN發(fā)展成TiCN，TiAlN等各種硬質(zhì)涂層，種類不斷增加，向著多元化發(fā)展。不同涂層成分可組成復(fù)合涂層，向著多層化發(fā)展。超硬涂層（C3N4、Al2O3）、軟涂層（MoS2、WC/C）的研究已成今后研究趨勢。隨著涂層向著多元化，復(fù)合化，越來越硬和越來越軟的方向發(fā)展，涂層刀具的壽命，耐磨損性都有了明顯的提高。