硬質(zhì)合金刀具的硬涂層可提高刀具壽命和生產(chǎn)率。化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)已從早期的單涂層發(fā)展到現(xiàn)在的由Tic、TiN、TiCN和Al2O3復(fù)合多涂層，而且通過(guò)選擇涂層的順序及涂層的總厚度來(lái)滿足特種金屬切削的要求，尤其是Al2O3涂層可提供包括高的抗擴(kuò)散性磨損、優(yōu)良的抗氧化性和高的熱硬度等極好的高溫性能，所以在鑄鐵及鋼等材料高速加工獲得廣泛應(yīng)用。
　　
　　近年來(lái)，刀具制造商已引進(jìn)中溫(MT)CVD TiCN涂層，當(dāng)使用乙晴作為有機(jī)的C/N源，TiCN的沉積大約發(fā)生在850℃，而高溫CVD TiCN涂層要加熱高于1000℃。MT－TiCN涂層用于車削和銑削時(shí)具有很好的耐磨性能，它具有穩(wěn)定的C/N比，并可減少涂層與硬質(zhì)合金基體之間界面形成eta相的傾向。
　　
　　十多年前，物理氣相沉積(PVD)已應(yīng)用于圓柱形硬質(zhì)合金刀具，包括間斷切削和/或一些需要鋒利刀刃的金屬切削刀片。最初PVD涂層只限于TiN,而現(xiàn)在工業(yè)上已有適用的PVD TiCN和TiAlN涂層，采用多種不同的PVD技術(shù)，如電子束蒸發(fā)、濺射、電弧蒸發(fā)等。
　　
　　CVD金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術(shù)，最普通的是熱絲法、微波等離子法和d、c等離子噴射法。通過(guò)改進(jìn)涂層方法和涂層的粘結(jié)，已生產(chǎn)出金剛石涂層硬質(zhì)合金刀具，并在加工非鐵及非金屬材料方面起著重要的作用。最近金剛石涂層刀具已在工業(yè)上得到應(yīng)用。
　　
　　硬質(zhì)合金刀具的硬涂層
　　
　　硬涂層的性能
　　
　　切削刀具基體硬涂層的成功是由于涂層的物理和力學(xué)性能的復(fù)合作用。從使用的角度來(lái)年，涂層應(yīng)具有穩(wěn)定的化學(xué)穩(wěn)定性能、熱硬度和與基體較強(qiáng)的粘結(jié)性能。優(yōu)化的涂層厚度、細(xì)的顯微結(jié)構(gòu)及殘余壓應(yīng)力可以進(jìn)一步提高涂層性能。
　　
　　
　　化學(xué)穩(wěn)定性
　　
　　涂層材料化學(xué)惰性的標(biāo)準(zhǔn)是它的形成標(biāo)準(zhǔn)，自由能的負(fù)數(shù)很高或在切削溫度下它在工件材料的溶解度很低。至今，CVD Al2O3硬涂層在材材加工中完全可滿足這些要求。無(wú)定形PVD Al2O3涂層是軟的而且不穩(wěn)定，因此不如結(jié)晶的CVD Al2O3；PVD TiAlN涂層與TiN或TiCN相比，具有較高的穩(wěn)定性，因此有可能在高速切削加工中獲得應(yīng)用。金剛石涂層刀具適用于加工含有第二相磨粒的非鐵合金(如硅鋁合金)以及不與硫反應(yīng)的非金屬材料(如金屬基復(fù)合材料和纖維增強(qiáng)塑料)。
　　
　　硬度
　　
　　切削刀具的后面承受磨粒磨敲，在切削溫度下，只要硬涂層比基體的硬度高，就有助于增強(qiáng)抗磨粒磨損，雖然切削主要由化學(xué)磨損所控制，但由于高的涂層硬度會(huì)使刀具前面在較高的溫度下，其抗月牙洼磨損性能得到增強(qiáng)。這一觀點(diǎn)目前尚存有爭(zhēng)議。
　　
　　顯微結(jié)構(gòu)及形態(tài)
　　
　　涂層方法及過(guò)程參數(shù)影響硬涂層的顯微結(jié)構(gòu)，反之，顯微結(jié)構(gòu)(如顆粒尺寸、顆粒結(jié)構(gòu)、顆粒邊界和相邊界)又影響硬涂層的力學(xué)性能和金屬切削性能。眾所周知，PVD TiN涂層具有較細(xì)的顆粒尺寸，相對(duì)于CVD TiN涂層具有較高的顯微硬度，具有高的點(diǎn)陣缺陷密度的PVD涂層還具有高的殘余應(yīng)力，這也有助于提高其顯微硬度。
　　
　　硬質(zhì)合金刀具的Al2O3涂層通常是用CVD方法沉積的。Al2O3存在許多結(jié)晶形態(tài)；最普遍存在的多晶形態(tài)是穩(wěn)定的α－Al2O3和亞穩(wěn)定的K－Al2O3。α－Al2O3的顆粒形狀為柱狀，它和K－Al2O3相比，其位錯(cuò)密度及孔隙較大，并且孔隙常存在于顆粒邊界。K－Al2O3涂層是細(xì)顆粒的2～0.5μm，而且沒(méi)有位錯(cuò)。
　　
　　粘結(jié)
　　
　　為了獲得滿意的切削性能，刀具涂層與基體的粘結(jié)必須牢固。在基體上開(kāi)始的涂層成核應(yīng)該是涂層和基體原子在界面上的相互擴(kuò)散，這在熱CVD方法中能夠達(dá)到，等離子輔助沉積法即使在較低的溫度下用高能轟擊產(chǎn)生晶格缺陷，亦可提高涂層試樣在界面的快速擴(kuò)散，對(duì)于金剛石涂層，在涂層之前，待涂基體表面的鈷是衡量涂層與基體粘結(jié)強(qiáng)度好壞的關(guān)鍵，表面腐蝕和熱處理是用以促進(jìn)金剛石膜對(duì)硬質(zhì)合金基體粘結(jié)的另一種方法。
　　
　　涂層厚度
　　
　　為了達(dá)到最大的金屬切除率，涂層的厚度必須是最優(yōu)化的：太薄，在切削時(shí)保持的時(shí)間太短；太厚，它的作用就好象是整體的材料，失去了與基體組合的優(yōu)越性。經(jīng)確定，有新的刀具涂層厚度范圍是2～20μm。CVD沉積的涂層厚度取決于應(yīng)用場(chǎng)合，一般在5～20μm范圍內(nèi)，而PVD涂層厚度通常小于5μm。金剛石涂層的厚度一般比CVD或PVD涂層厚，與聚晶金剛石涂層一樣可適用于厚度為20～40μm的范圍。
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　　硬涂層的沉積方法
　　
　　
　　按其原始材料的揮發(fā)和反應(yīng)需要的能量形式，有熱沉積和等離子輔助沉積之分。
　　
　　當(dāng)今，金屬切削切具廣泛使用鈦基硬涂層TiN、TiCN、TiC、和TiAlN以及陶瓷硬涂層Al2O3。許多不同熱沉積技術(shù)和等離子沉積技術(shù)用于制造具有相同成分的涂層。在多數(shù)情況下可使用幾種不同的涂層方法。涂層的顯微結(jié)構(gòu)及涂層刀具的性能是由涂層方法和涂層過(guò)程參數(shù)來(lái)確定，通常，揮發(fā)的形式和沉積溫度可區(qū)分不同的涂層方法。熱高溫CVD法(HT-CVD)發(fā)生在900～1100℃，此溫度高于PVD法采取的300～600℃。
　　
　　熱中溫CVD(MT-CVD)方法的工作溫度介于HT-CVD和PVD方法之間，當(dāng)使用乙晴(CH3CN)作為一種有機(jī)C/N源來(lái)沉積MT-TiCN涂層時(shí)，MT-CVD涂層溫度減至750～900℃。CVD硬涂層采用等離子輔助，進(jìn)一步減少沉積溫度至750℃以下是可能的。在PA-CVD過(guò)程用脈沖低壓輝光放電催化反應(yīng)氣體，能使在較低溫度下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，與CVD法不同的是，PVD法的沉積溫度相當(dāng)?shù)?，因此PVD等離子產(chǎn)生亞穩(wěn)結(jié)構(gòu)，在基體上使用負(fù)偏壓引進(jìn)離子轟擊，改進(jìn)了PVD涂層的粘結(jié)并生長(zhǎng)出細(xì)顆粒的抗磨層，激烈的離子轟擊也在PVD涂層內(nèi)引入高的內(nèi)應(yīng)力。
　　
　　由于金屬性硬組分的揮發(fā)形式不同，其PVD方法和采取的等離子條件也不同。
　　
　　PVD濺射法是金屬汽不經(jīng)過(guò)液相，直接從金屬靶子揮發(fā)，主要優(yōu)點(diǎn)是能夠蒸發(fā)不同熔點(diǎn)的金屬(如TiAlN)。PVD電弧蒸發(fā)法比PVD濺射法采用的輸入能量要高。高能量電弧很快地通過(guò)揮發(fā)的金屬表面，使一塊小的、有限的面積揮發(fā)，這樣產(chǎn)生的等離子是由高度離子化的金屬汽組成的。
　　
　　PVD方法常采用一種高能電子束，此法的優(yōu)點(diǎn)是有很好的過(guò)程控制和平衡的等離子離子化。
　　
　　目前，金剛石沉積采用三種方法：微波等離子法、熱絲法和等離子噴射法。高質(zhì)量的金剛石膜應(yīng)存在大量的氫原子，以穩(wěn)定SP3金剛石鍵和減少膜中的石墨量。
　　
　　微波等離子法使用微波能源以產(chǎn)生沉積速率為2～3μm/h的輝光放電。熱絲法是將耐火金屬絲加熱到2000～2500℃，以產(chǎn)生所需足夠量的原子氫和金剛石原始粒子，沉積速率可達(dá)0.5～1.5μm/h。等離子噴射法包括d、c和r、f等離子，它們的氣體溫度在5000～8000℃范圍。熱等離子促使氣體粒子分解，可達(dá)到極高的沉積速率(高至400μm/h)。
　　
　　所有上述熱的和等離子輔助涂層方法都需要價(jià)格昂貴的設(shè)備，此外，涂層過(guò)程的復(fù)雜性(技術(shù)上或經(jīng)濟(jì)上的原因)都難以去組合不同的涂層方法。
　　
　　涂層技術(shù)基本上分為兩個(gè)重要的過(guò)程參數(shù)：沉積溫度和工作壓力，這些參數(shù)對(duì)沉積條件有很大影響，對(duì)涂層產(chǎn)品的性能也有很大的影響。
　　
　　由于涂層刀具具有抗磨粒磨損、抗月牙洼磨損等性能，并允許使用較高的切削速度，所以當(dāng)今在美國(guó)和西歐超過(guò)60%的金屬切削刀片都是CVD涂層的。硬質(zhì)合金基體的脆性與早期的CVD涂層沉積技術(shù)形成的η相有關(guān)，而現(xiàn)在由于基體的碳控制較好和CVD方法的改進(jìn)，形成η相的情況已大大減少或已被消除，使涂層硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用范圍更廣，包括車、鏜、切絲、切槽、切割和銑削。這些刀具適用于加工硫、合金、不銹鋼、灰鑄鐵、韌性鑄鐵和高溫合金材料。
　　
　　用于銑削工序抗磨的5μm HT-CVD涂層，第一層是TiN,它可減少形成η相的傾向；用于車削的涂層，第一層是13μm厚的TiC(HT-CVD)。在第一層之上生長(zhǎng)的主要作用層是TiCN,它優(yōu)化了硬度、抗月牙洼磨損和抗后面磨損的性能，表面層是TiN。
　　
　　尤其對(duì)于間斷切削的應(yīng)用(銑削)，用MT-CVD涂層可進(jìn)一步改善CVD涂層硬質(zhì)合金刀具的韌性，MT-CVD方法較低的沉積溫度(～850℃)和較短的沉積時(shí)間減少了在涂層和基體界面形成脆性η相的傾向，因此提高了涂層刀具在間斷切削應(yīng)用中的性能。MT-CVD方法較高的沉積速率產(chǎn)生一種柱狀涂層結(jié)構(gòu)。MT-CVD涂層可應(yīng)用于所有HT-CVD涂層刀具應(yīng)用的加工領(lǐng)域。
　　
　　CVD Al2O3涂層方法也有很大的改進(jìn)，可生產(chǎn)一定晶體結(jié)構(gòu)、厚而均勻的Al2O3涂層。由于Al2O3的高溫性能，所以HT-Al2O3涂層刀具可應(yīng)用于高速加工鋼和鑄鐵。Al2O3涂層能沉積為單層或交替多層的α-Al2O3或K-Al2O3結(jié)構(gòu)，用這些涂層幾乎可以達(dá)到陶瓷切削刀具同樣高的切削速度。
　　
　　目前已經(jīng)發(fā)展了既有Al2O3涂層極其優(yōu)良的高溫性能，又有MT-CVD TiCN涂層高韌性的復(fù)合CVD涂層，這些MT-TiCN-Al2O3復(fù)合涂層已成功地用于銑削和車削，在控制條件下可沉積K-Al2O3和α-Al2O3。
　　
　　PVD涂層的進(jìn)展
　　
　　
　　由于PVD方法具有沉積溫度低、能夠在銳利的刀刃上涂的光滑的，細(xì)顆粒的無(wú)裂紋的涂層和良好的殘余內(nèi)應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，所以PVD TiN涂層已廣泛用于硬質(zhì)合金刀具和其它基體(如對(duì)涂層溫度敏感的金屬陶瓷基體)。
　　
　　PVD技術(shù)的進(jìn)展已導(dǎo)致商品化的新化合物如TiCN、TiAlN及TiZrN和CrN等化合物的出現(xiàn)。
　　
　　在涂層刀片的應(yīng)用中，CVD涂層刀具占大多數(shù)。而在銑、鉆、螺紋加工、切槽和切斷等加工中，刀具PVD涂層已超過(guò)CVD涂層。PVD涂層在加工難加工材料如高溫合金和奧氏體不銹鋼時(shí)效果很好。
　　
　　金剛石涂層
　　
　　
　　金剛石涂層具有硬度高、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性高和熱膨脹系數(shù)低等特點(diǎn)，然而金剛石會(huì)與周期表IVA族至VIIA族的元素起反應(yīng)，所以金剛石涂層刀具只適于加工非鐵和非金屬工件材料。金剛石刀具的磨損方式有氧化、與工件材料起化學(xué)反應(yīng)、微裂和嚴(yán)重?cái)嗔训葞追N情況及其組合。
　　
　　金剛石涂層具有一種高度小平面形的組織結(jié)構(gòu)，這使得在刀片的前面呈顯微粗糙的表面。這種粗糙的金剛石小平面的作用好象是顯微斷屑器，而在刀片的后面，這種小平面會(huì)導(dǎo)致工件加工表面光潔度變差。
　　
　　當(dāng)今，汽車工業(yè)在加工硅—鋁合金(特別是300系列)零件時(shí)，主要是使用金剛石涂層刀具。金剛石涂層刀具還有望在加工金屬基復(fù)合材料(MMC)、碳—碳復(fù)合材料和村材加工業(yè)等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。
　　
　　立方氮化硼(CBN)涂層
　　
　　
　　立方氮化硼(CBN)是氮化硼的高溫高壓相，它是第二種最硬的材料(達(dá)60GPa)，其結(jié)構(gòu)類似于金剛石，但CBN對(duì)于熱鐵、熱鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性，在氧化時(shí)，形成一薄層氧化硼，此氧化物層給涂層提供了化學(xué)穩(wěn)定性，因此它在加工硬的鐵材(50～65HRC)、灰鑄鐵、高溫合金和燒結(jié)的粉末金屬時(shí)具有明顯的優(yōu)越性。
　　
　　許多科研人員試圖用CVD和PVD技術(shù)沉積立方氮化硼薄膜。試驗(yàn)結(jié)果表明，在合成CBN相、對(duì)硬質(zhì)合金基體的良好粘結(jié)和合適的顯微硬度等方面已取得一定的進(jìn)展。目前沉積在硬質(zhì)合金基體上的立方氮化硼膜厚最大僅為0.2～0.5μm,若想達(dá)到商品化，則必須采用可靠的技術(shù)來(lái)沉積高純的、經(jīng)濟(jì)的CBN薄膜，其膜厚應(yīng)在3～5μm,并在實(shí)際金屬切削加工中證實(shí)其效果。將來(lái)的潛力
　　
　　CVD涂層硬質(zhì)合金刀具的使用已取得迅速發(fā)展，MT-CVD涂層的韌性超過(guò)HT-CVD涂層，但是除了沉積TiCN涂層之外，若想擴(kuò)展這項(xiàng)涂層技術(shù)，至今還不能實(shí)現(xiàn)。等離子輔助CVD涂層也有類似的優(yōu)越性，但涂層成分也受到限制。人們期望采用低溫沉積方法能夠生產(chǎn)出新的涂層成分。
　　
　　新的PVD涂層材料的發(fā)展，包括PVD Al2O3和PVD多涂層將擴(kuò)大PVD涂層刀具的應(yīng)用范圍，這對(duì)CVD涂層將是一種挑戰(zhàn)。
　　
　　CVD和PVD的復(fù)合涂層是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的。TiN/NbN，TiN/Ni和TiN/NiCr的超點(diǎn)陣涂層與那些單相氮化物相比，具有較高的硬度，它們有望在金屬切削加工中得到應(yīng)用。工藝經(jīng)濟(jì)性的改進(jìn)將增加使用金剛石涂層刀具的可能，然而它們的應(yīng)用范圍只限于非鐵金屬。突破性的發(fā)展?jié)摿耐杏诹⒎降?CBN)涂層硬質(zhì)合金刀具，這種材料可用于加工超過(guò)當(dāng)今被加工材料75%的鐵材。