在切削加工中，刀具性能對切削加工的效率、精度、表面質量有著決定性的影響。刀具性能的兩個關鍵指標——硬度和強度(韌性)之間似乎總是存在著矛盾，硬度高的材料往往強度和韌性低，而要提高韌性往往是以硬度的下降為代價的。在較軟的刀具基體上塗覆一層或多層硬度高、耐磨性好的金屬或非金屬化合物薄膜(如TiC、TiN、Al2O3,等)組成的塗層刀具，較好的解決了刀具存在的強度和韌性之間的矛盾，是切削刀具發展的一次革命。
塗層刀具是近20年來發展**快的新型刀具。目前工業發達國家塗層刀具已佔80%以上，CNC工具機上所用的切削刀具90%以上是塗層刀具。
1塗層刀具、塗層材料及塗層方法
塗層刀具的特點
塗層刀具結合了基體高強度、高韌性和塗層高硬度、高耐磨性的優點，提高了刀具的耐磨性而不降低其韌性。塗層刀具通用性廣，加工範圍顯著擴大，使用塗層刀具可以獲得明顯的經濟效益。一種塗層刀具可以代替數種非塗層刀具使用，因而可以大大減少刀具的品種和庫存量，簡化刀具管理，降低刀具和設備成本。但是刀具在現有的塗層工藝進行塗層後，因基體材料和塗層材料性質差別較大，塗層殘留內應力大，塗層和基體之間的界面結合強度低，塗層易剝落，而且塗層過程中還造成基體強度下降、塗層刀片重磨性差、塗層設備複雜、昂貴、工藝要求高、塗層時間長、刀具成本上升等缺點。
常用的塗層材料及性質
常用的塗層材料
常用的塗層材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、矽化物、金剛石及複合塗層八大類數十個品種。根據化學鍵的特徵，可將這些塗層材料分成金屬鍵型、共價鍵型和離子鍵型。
塗層材料的性質
金屬鍵型塗層材料(如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等)熔點高、脆性低、界面結合強度高、交互作用趨勢強、多層匹配性好，具有良好的綜合性能，是**普通的塗層材料。共價鍵型塗層材料(如B4C、SiC、BN、金剛石等)硬度高、熱脹係數低、與基體界面結合強度差、穩定性和多層匹配性差。而離子鍵型材料化學穩定性好、脆性大、熱脹係數大、熔點較低、硬度不太高。
在這些塗層材料中，用的**多的是TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及複合塗層。
TiC耐磨性好，能有效地提高刀具的抗月牙窪磨損能力，適合於低速切削及磨損嚴重的場合；TiN塗層具有低的摩擦係數，潤滑性能好，能減少切削熱和切削力，適合於產生融合和磨損的切削；Al2O3的高溫耐磨性、耐熱性和抗氧化能力比TiC和TiN好，月牙窪磨損率低，適合於高速、大切削熱切削；金剛石塗層硬度和熱導性高，摩擦係數很低，適合於有色金屬合金的高速切削；而複合塗層綜合幾種塗層材料的特點，目前以雙塗層和三塗層組合居多。
常用塗層方法
目前常用的塗層方法是CVD(化學氣相沉積法)和PVD(物理氣相沉積法)，其它方法如等離子噴塗、火焰噴塗、電鍍、溶鹽電解等還存在較大的應用局限性。
CVD法是利用金屬滷化物的蒸氣、氫氣和其它化學成分，在950～1050℃的高溫下，進行分解、熱合等氣、固反應，或利用化學傳輸作用，在加熱基體表面形成固態沉積層的一種方法。CVD法工藝要求高，而且由於氯的侵蝕及氫脆變形可能導致塗層易碎裂、基體斷面強度下降，塗層硬質合金時還易產生脫碳現象而形成n相。近年來，中、低溫CVD法和PCVD法開發成功，改善了原有CVD工藝。
PVD法起步晚、發展快、溫度低(約300～500℃)，優點很多，但塗層的均勻性不如CVD法，塗層與基體結合不太牢固，塗層硬度比較低，塗層優越性未得到充分體現。PVD法工藝要求比CVD法高，設備更複雜，塗層循環周期長。目前常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(LVEE)法、陰極電子弧沉積法(CAD)、三極體高壓電子束蒸發法(THVEE)、非平衡磁控濺射法(UMS)、離子束協助沉積法(IAD)和動力學離子束混合法(DIM)，其主要差別在於沉積材料的氣化方法以及產生等離子體的方法不同而使得成膜速度和膜層質量存在差異。
2塗層刀具的發展方向
新型的塗層材料
刀具塗層材料出現了很多新種類：TiCN基新塗層兼有TiC和TiN塗層良好的韌性和硬度，比常用的TiN刀具耐用度高2～4倍。此外，以TiCN為基的多元成分新塗層材料如(Ti，Zr)CN、(Ti，Al)CN、(Ti，Si)CN等紛紛出現。AlON塗層刀具產生的月牙窪磨損極小。TiAlN有很高的高溫硬度和優良的抗氧化能力，塗層硬度高，抗氧化性能好，切削性能優於TiN塗層，用於加工航天合金材料時的刀具壽命可提高1～4倍。CrC和CrN塗層是無鈦塗層，可有效地切削鈦和鈦合金以及鋁合金等其它軟材料。另外，Hf、Zr、Ta的碳化物與氮化物，Hf、Zr、Ti、N、Ta的硼化物，Hf、Zr、Ti、Be的氧化物等塗層材料均成功採用。
值得一提的是美國Multi-ScientificCoating公司的類金剛石的碳塗層，使用熱陰極蒸發技術把碳沉積到刀具表面後，類金剛石碳塗層和基體結合良好，有很多金剛石相似的性能，有高的耐磨性和低的摩擦係數。其它ZrN，TiZrN類金剛石膜塗層(DLC)的應用範圍也不斷拓展，主要用於加工有色合金。
氮化鋁鈦塗層也由原先常使用的Ti0.75Al0.25N轉化為優先使用Ti0.5Al0.5N，Ti0.5Al0.5N塗層抗氧化溫度為700℃，在空氣中加熱會在表面產生一層非晶態Al2O3薄膜，可以對塗層起保護作用。
日本不二越公司開發出一種稱為SG的新型塗層，它由TiN、TiCN及Ti繫膜三層組成，耐磨性優於TiN塗層，且塗層與基體的結合強度高，表層為Ti系特殊膜層，具有極好的耐熱性。
瑞士還開發出一種稱為「MOVIC」軟塗層的新工藝，即在刀具表面塗復一層固體潤滑膜二硫化鉬，刀具切削壽命數倍增加，且能獲得優良的加工表面。其它硫族元素如WS2等軟塗層也取得了一定進展。這些軟塗層在加工高強度鋁合金和貴重金屬方面有良好的應用前景。
近年來，高硬度的塗層開始出現。包括立方氮化硼(CBN)塗層、氮化碳(CNX)、多晶氮化物超點陣塗層等。CBN塗層硬度達5200kgf/mm2，僅次於金剛石，可有效的切削淬火鋼和其它難加工合金。如果氮化碳(CNX)塗層能夠形成b-C3N4，理論上可以計算出其硬度將超過金剛石。已經有氮化碳合成的報導。多晶氮化物超點陣塗層是一種很有希望的新型刀具塗層，多晶TiN/NbN和TiN/VN超點陣塗層的硬度分別為5200kgf/mm2和5600kgf/mm2，超點陣塗層由於層內或層間位錯困難導致其硬度很高。
新的塗層工藝方法
隨著塗層技術的發展，出現了綜合PVD和CVD的PACVD法，另外，還有離子束濺射方法，中能離子束輔助沉積技術(IBAD)也可用於塗層，離子束輔助沉積兼有氣相沉積與離子注入的優點。等離子輔助化學氣相沉積(PCVD)利用等離子體來促進化學反應，可使沉積溫度降低到200～500℃。Sol-Gel法由於其自身的優點也越來越受到人們的重視。
MT-CVD(中溫化學氣相沉積)則在一定程度上克服了一般HD-CVD(高溫化學氣相沉積)的缺點，其沉積溫度低(700～900℃)，沉積速度快，塗層厚，工藝環鍍性好，對於形體複雜的工件塗層均勻，而且塗層附著力高，塗層內部殘餘應力小，是一種優於HT-CVD的塗層工藝方法。
塗層所用的基體範圍也在擴大，包括高速鋼、硬質合金和陶瓷都可以進行塗層。近幾年來陶瓷塗層硬質合金刀具發展迅速，特別是Al2O3陶瓷由於其高化學穩定性和耐氧化性特別適用於高速切削，在陶瓷塗層中所佔比例較大。
雖然刀具塗層工藝上獲得了長足的發展，特別是梯度塗層工藝，但總體說來塗層技術有待進一步提高。
3結論
塗層刀具較好的解決了刀具強度和韌性之間的矛盾，大大提高了刀具的耐用度和切削速度。但存在塗層易剝落，工藝複雜昂貴等缺點。刀具塗層材料中用的**多的是TiC、TiN、Al2O3、金剛石以及複合塗層。常用塗層方法是CVD法和PVD法。
新型的塗層材料和新的塗層工藝方法不斷出現，特別是新型高硬塗層以及軟塗層材料將會使塗層刀具的應用將越來越廣。