刀具涂層材料在機械切削和打磨過程中至關重要，其可以提高刀具的壽命、減少摩擦和磨損，從而提高生產效率和加工質量。文章總結了幾種類型涂層的研究現狀，闡述了多種元素的應用對刀具涂層種類的影響，分析了各類涂層性能的優缺點，并討論了刀具涂層中非金屬元素的應用、抗氧化涂層、納米復合多層涂層、納米成分梯度涂層的優勢和研究現狀。未來刀具涂層將更加多樣化、高性能化，為刀具提供更好的性能，從而提高刀具的使用效率和壽命。
刀具涂層是機械加工過程中至關重要的一部分。其主要作用是提高工件表面的光潔度、硬度、耐磨性和抗腐蝕性等。在過去的幾十年中，刀具涂層的研究主要集中在改善其性能、提高其使用壽命和減少加工表面的磨損等方面。隨著科技的不斷進步和市場需求的不斷增加，刀具涂層的研究和發展已經成為機械加工領域的重要課題。近年來，非金屬元素的摻雜、抗氧化涂層、納米復合多層涂層、納米成分梯度涂層等成為機械加工領域刀具涂層的應用研究方向。
納米涂層是刀具涂層材料研究的重要方向之一。納米涂層具有比表面積大、表面能高、活性位點多等特點，可以提高涂層材料的硬度、耐磨性和耐腐蝕性等性能。近年來，研究人員已經成功開發出多種納米涂層，如納米TiN、納米 Al2O3、納米 CrAlSiN 等，這些材料在刀具、模具等領域得到了廣泛應用。其次，抗氧化涂層也是重要研究方向之一，抗氧化刀具涂層是一種能夠防止刀具材料氧化的涂層。這種涂層通常由抗氧化金屬或合金組成，如鎢、鉻、鉬、鈷和鋁等，可以在刀具表面形成一層保護層，防止刀具材料在高溫和高壓環境下被氧化和腐蝕;此外，抗氧化涂層還可以提高刀具的硬度和耐磨性;可以更好地保護刀具表面，防止磨損和刮傷。因此，抗氧化涂層在高速切削、高溫切削和重載切削等惡劣條件下應用廣泛。
涂層材料在機械加工領域中發揮著重要的作用，隨著科技的不斷進步，新型刀具涂層材料在加工技術的研究和發展中將會變得越來越重要。本文旨在概述近年來涂層材料的最新研究進展，以便讀者了解涂層材料在機械加工領域的最新應用和未來發展趨勢。
一、刀具涂層
刀具涂層簡述：高速鋼刀和硬質合金刀在國內外均有廣泛的應用。近幾年來，在工業發達地區，使用涂層的刀具比例已超過半數。通過將高硬度耐磨薄片覆蓋于刀具材料的表面，能夠有效地緩解其硬度、耐磨性、彎曲強度與耐沖擊性之間的不平衡，從而提升其使用壽命。并且可以有效地防止刀具與工件的直接接觸，顯著改善它們的抗氧化、抗黏附、抗磨損、抗凹凸不平等特性。綜合考慮，刀具涂層的顯著特征可概括為：
(1)在不損害刀具強度的前提下，涂層可以提高刀具表面的堅硬程度。
(2)提高刀具的抗黏性能，降低摩擦系數，顯著提升工件質量。
(3)在高速切削加工過程中，提高刀具的使用壽命，從而大幅提升生產效率和減少成本。
(4)涂層的應用可以減少冷卻劑和潤滑劑的使用，減小對環境的污染。
(5)涂層由一種或多種物質制得，因此涂層的種類繁多。使用涂層可大大降低所需刀片的種類和數量，并且提升刀具涂層的適用性和加工范圍。
刀具涂層研究現狀：隨著科技的飛速發展，新型的復雜材料被廣泛應用于制造業，傳統的刀具已經不能滿足日益增長的生產需求，多樣化的刀具涂層應運而生。刀具涂層的使用需根據其特點和用途進行選擇。一些常用的涂層材料特點及其用途如表1所示。
表1 常見的刀具涂層類型、特點及用途
涂層技術發展初期，首先出現 TiC 和 TiN 涂層。TiC具有金屬性、離子性和共價性3種性質，但主要表現為共價性，具有高硬度、高熔點、高耐腐蝕性等特點，同時還具備出色的耐磨性。TiN 具有較高硬度、低摩擦系數、高化學穩定性，并且能夠大大降低加工刀具與切削工件之間的摩擦系數，增加涂層刀具的表面光潔度與耐磨性，從而進一步改善刀具的切削加工條件與服役壽命。并且在 TiC、TiN 涂層中引入 Al 元素后，它們的氧化溫度還能得到進一步改善。
Al2O3涂層具有耐腐蝕性強、耐磨性好、高溫穩定性好并能減少摩擦系數等優點，但也存在硬度高、不易清洗、價格較高并且需要較高溫度才能發揮作用等缺點。由于Al2O3在高速切削過程中表現出良好的化學穩定性以及較強的耐高溫氧化特性，因此 Al2O3 涂層在切削性能方面表現出色。但是Al2O3涂層也具有一定的缺陷，單相 Al2O3涂層的強度可以提供良好的耐久性，但它的熱膨脹系數比基體金屬材料要低得多，因此，當受到巨大的負荷和沖擊時，很容易出現裂縫。此外，它的耐熱震性也很弱，無法抵御外界的溫度波動。
在多種元素摻雜的各類涂層中，非金屬元素的摻雜最為廣泛，且主要是Si元素，摻雜這種元素可以大大提升刀具涂層微結構的精度和切削性能。Zhang 等采用陰極真空電弧工藝制備 AlCrTiSiN 涂層，研究發現，該涂層的組織結構、殘余應力、結合力、耐磨性和切削性能均有明顯的提升。其主要原因是該涂層由固溶相N和非晶相Si3N4構成。
C元素可以單獨制備刀具涂層，其獨特的結構使其具有優異的涂層性能。如金剛石，其硬度可達 10 000 HV，導熱系數達到 1 050 W/(cm·K)，而且摩擦系數極低。但是金剛石薄膜的制備工藝繁瑣，主要原因是制備的薄膜質量與金剛石本身的晶體結構和化學性質有很大關系，尤其是對于低維薄層金剛石薄膜(<10 nm)，沉積條件對薄膜質量的影響更大。近幾十年來，許多先進的技術已經被應用于制造高質量的金剛石薄膜，主要制備方法為化學氣相沉積法(CVD)。CVD 所制備的金剛石薄膜具有較高的結晶度、硬度和導電性等，因此在國內外已引起廣泛關注。Sun 等利用 CVD 成功構建了一種具有微米金剛石與納米金剛石雙重特性的復合涂層，其結構強度和表面光潔度均有顯著改善。Salgueiredo 等研究發現，通過 CVD 制備的微米/納米金剛石的雙層和多層涂層具有更強的黏接能力，其中，多層金剛石涂層的黏接力可達 800 N，而雙層金剛石涂層的黏接力可達 600 N，而單層金剛石涂層的黏接力則可達 400 N。
立方氮化硼(c-BN)是一種超級金剛石，具有極高的硬度和極低的熱導率，各種物理性能處于領先地位。c-BN 涂層的化學性能十分穩定，能夠克服金剛石涂層在切削時的缺點。因此近年來，c-BN 涂層受到了全球學術界的廣泛關注和深入探索。盡管 c-BN 與基質之間的黏附性較弱，但是可以通過過鍍層設計、工藝調整及基材表面處理等技術手段提升其結合強度，然而，這些技術仍處于探索階段，尚未得到實際應用。
上述涂層多以提高刀具硬度為主，又稱為“硬”涂層，通常采用硬質材料和金屬化合物制成。這些涂層具有高硬度、高耐磨性和高溫穩定性，可以提高刀具的切削性能和耐用度。相對應的“軟”涂層是一種以提高刀具耐用度為主的涂層，通常采用潤滑劑、油劑或高分子材料制成。這些涂層具有良好的柔韌性和耐磨性，能夠在刀具與工件之間形成一層隔離層，減少摩擦和磨損，提高刀具壽命。2 種涂層的性能對比如表2所示。采用“軟”涂層，可以有效降低摩擦系數，進而有效阻止黏合，大大縮短干式切割設備的使用壽命，提高其可靠性與可維護性。盡管其硬度不高，但其耐磨性卻十分出色，因此可以被廣泛應用于各種工具。
表2 “軟”“硬”涂層性能對比
二、刀具涂層的研究方向
刀具涂層中非金屬元素的應用：將非金屬元素應用到涂層中，可以顯著改善涂層的性能，從而提升刀具涂層的使用壽命。在涂層應用中，非金屬元素的應用可以歸納為以下幾種：
(1)C 元素可以形成不同的結構，細化或抑制涂層的柱狀晶體。非晶態結構避免了裂紋沿晶界擴展，提高了刀具壽命。C的濃度也會決定涂層結構和性能。Li等通過調節C/N原子質量比，獲得TiAlCN 涂層的高附著力和低摩擦系數，減少了各類高速切削過程中的磨損，抑制了黏著磨損，增加了涂層的使用壽命。研究發現，在 C/N 原子質量比為 3∶32 時的效果最好，此時涂層硬度提高至 20. 36 GPa，柔韌性提高約 230%，黏附力達到 156 N，但摩擦系數僅為 0. 231 。
(2)在涂層中添加 Si元素可以細化晶粒，在氮化物涂層中添加硅元素還能形成 Si-N 化合物，提高涂層的硬度并增強高溫穩定性和抗氧化性。Lee等通過對 CrAlSiN 抗氧化性能的分析，發現涂層中的 Al2O3、Cr2O3、SiO2為抗氧化性能的主要貢獻者。Sun 等分析了 CrAlSiN 涂層在各種硅含量下的摩擦性能，結果表明：Si的用量為 5. 5% 時，其綜合力學性能最佳。TiAlN涂層中添加Si元素，可以抑制柱狀晶的生長，形成一層非晶態Si-N化合物包覆的TiAlN納米晶，從而提升涂層的硬度、抗氧化性和熱穩定性。
(3)硼元素與金屬元素形成的硼化物具有出色的硬度和耐磨性，其硬度僅次于金剛石，而且其熱穩定性和化學穩定性更是遠超過金剛石，因此在材料制備中具有重要的應用價值。例如TiB2涂層，它擁有出色的硬度、卓越的化學穩定性以及優異的抗黏附性，特別是在處理鈦鋁合金時，TiB2的耐磨損性和長期使用壽命都大大超越了傳統的 TiAlN 涂層。試驗表明，TiB2優異的性能源于它的自潤滑性，可以有效避免刀具在切割鈦鋁合金時產生的黏著問題。TiB2涂層可以在切削過程中形成一層自潤滑膜，有效地抑制黏結物的生長，并且可以顯著降低摩擦力。
近年來，針對具有非金屬元素的刀具涂層的研究取得了長足的進展，越來越多的非金屬元素的應用催生出了多種刀具涂層，這不僅促進了切削材料的發展，而且也解決了許多以往在加工一些材料時 出現的技術難題。
抗氧化涂層：抗氧化刀具涂層通常由抗氧化材料制成，其作用是提高刀具的耐用性和壽命。在切削加工中，刀具通常會在高溫和高壓環境下工作，這會導致刀具表面的氧化和磨損。抗氧化刀具涂層可以阻止刀具表面的氧化反應，從而減少磨損和延長刀具的使用壽命。在磨削加工中，抗氧化刀具涂層可以減少砂輪和刀具之間的摩擦，從而提高刀具的壽命。抗氧化刀具涂層具有以下優點：提高刀具的抗氧化性，防止刀具表面與空氣中的氧和其他氣體發生反應， 從而減少磨損和腐蝕;延長刀具的使用壽命，減少加工成本;提高刀具的表面質量和加工精度。
納米復合多層涂層：納米復合多層涂層由多個納米層組成，其中每個納米層由不同的材料構成，并具有不同的性能和功能。這種涂層具有多層結構，可以顯著提高涂層的性能和使用壽命，已成為當今研究的重要方向。
研究發現將“軟”涂層與“硬”涂層復合，可以適應復雜情況下對各類材料的加工。研究表明，各類干切削過程中產生的大量熱量不能及時排出，增加了黏著引起的刀具磨損。通過使用“軟”涂層，可以大大改善“硬”涂層的切削環境，提高刀具的耐磨性和壽命。常見的“軟”涂層材料包括 WS2、MoS2、WC/C 和 TaS2/Mo 等。WS2“軟”涂層具有極低的剪切強度，可以有效降低切削力。Lian 等將 CrCN 與 WS2組成復合涂層用于各類干切削中。隨著切割強度和切割壓力的減少，切割熱量下降，從而使切割溫度下降，減少刀具的磨損和防止積屑瘤產生。同時，由于 CrCN-WS2 涂層具有出色的結合力，使得它比單層 CrCN涂層刀具的使用壽命更長。Lukaszowicz等將其與MoS2“軟”涂層結合，制備出一種新型涂層，在滑動干摩擦條件下，該涂層表現出卓越的耐磨性和與基體材料的良好黏附力。
Wei等研究發現，涂層性能的提高與多層涂層的雙分子層周期密切相關。當雙分子層周期(>50 nm)持續增加時，涂層的硬度也可能上升。Sui 等研究發現，TiAlN/CrN 涂層的雙分子層周期為 25 nm 時涂層的切削能力最優。多層結構的設計提高了涂層力學和熱性能，增強了刀具導熱性，從而減少刀具切削時切削面的連續黏附，減少堆積邊(BUE)的形成。
納米成分梯度多層涂層：梯度涂層是一種成分含量梯度變化的涂層，具有優秀的物理、化學性能和生物相容性。目前，梯度涂層的研究主要集中在刀具表面的硬度、耐磨性、耐熱性和耐腐蝕性等方面。
在垂直于膜的方向上，梯度涂層中不同組分的配比是漸變的，該漸變策略可以有效地減少基材與基材、內外界面的應力集中，大大提高了薄膜與基材的黏接能力，從而提高了刀具的使用年限。梁楊夢甜利用高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)和直流磁控濺射(DCMS)復合技術，制備 Al、Si 含量梯度變化的 CrAlSiN 涂層，結果顯示，多層 CrAlSiN 涂層具有優異的力學性能、耐磨性和抗高溫氧化性。采用梯度結構，可以將涂層和基體牢固地連接起來，極大地提升黏接強度和耐腐蝕性。此外，由于梯度結構的密實性，它們在高溫條件下的熱膨脹會導致裂縫、孔洞等缺陷的出現，這也會提升它們的黏接強度。
三、結語
采用合適的刀具涂層，可以顯著改善切削質量，并且大大提升加工效率。在未來的刀具涂層研究中，通過組合和創新刀具涂層的優異性能，探索切削機理及其在切削過程中表現出的規律，以解決切削過程中出現的問題將是主流方向。應對刀具涂層的類型、結構、成分進行深入的研究，具體可參考以下幾個方面：
(1)由金屬元素與氮合成的氮化物涂層，經過不斷的發展，已經演變成由非金屬元素、金屬元素組成的復合體。這些元素的加入可以實現固溶強化和細晶強化，從而提升涂層的整體性能。添加多種元素使涂層具有多種機械和物理特性，是當前刀具涂層領域的重要方向。
(2)“軟”涂層具有較低的摩擦系數和自潤滑性能，可以單獨使用或與“硬”涂層復合使用，并表現出良好的效果。研究開發出軟硬結合的新型涂層技術，以及新的鍍膜技術，將成為未來發展的重要趨勢。經過對當前涂層工藝的改進，可以有效控制涂層的組成和微觀結構，從而有助于提升涂層的品質。
(3)結構上，涂層的變化從單一層向多層復合、納米復合、梯度復合等復雜的結構轉變。多層納米結構和復雜結構可以改變涂層表面結構來提升其硬度和模量，成為當今學術界的研究熱點。采用多種結構的組合以及精心設計的結構，可以顯著改善涂層的整體表現。
參考文獻略.