随着工业生产技术的发展，现代机械制造业对机械加工提出了更高的要求，理想的加工切削刀具应具有高切削速度、长寿命、高精度等优良性能。传统工业用刀具通常采用高速钢或硬质合金等材料，其切削性能及寿命需要进一步提升，刀具表面涂层技术由此应运而生，通过化学或物理方法在刀具表面形成具有高硬度、低摩擦因数、高接合力的涂层，即“硬质涂层”，从而提高切削刀具切削性能，延长使用寿命，提高机械加工效率。

一、表面硬质涂层的优势

刀具表面涂层技术具有以下特点：

（1）可以在不降低刀具强度的前提下大幅提高刀具表面硬度，目前所能达到的显微硬度已经接近100GPa；

（2）润滑薄膜具有良好的固相润滑性能，可以有效改善加工质量，同时适用于干式切削加工；

（3）涂层具有突出的高温抗氧化性及化学稳定性，使切削加工速度不断提高；

（4）作为刀具制造的最终工序，对刀具精度几乎没有影响，并可以进行重复涂层。

目前，在工业发达国家，涂层刀具市场占有率已达80%以上，数控机床中所使用的切削刀具90%以上都是涂层刀具。

二、硬质涂层制备方法

目前常用的涂层方法主要有化学气相沉积法和物理气相沉积法，两种方法有各自的技术特点，主要优缺点如下表：

三、超硬涂层材料的类型

一般将显微硬度超过40GPa的硬质涂层称为超硬涂层，常用超硬材料有金刚石、类金刚石、立方氮化硼等，另外一些纳米复合涂层也可达到很高的硬度，受到广泛的关注和研究。

常用涂层材料硬度范围

1.金刚石

金刚石是自然界中硬度最高的物质，具有高耐磨性、低摩擦因数、高化学惰性等特性。在硬质合金刀具领域中，金刚石涂层有较为成熟的应用，如聚晶金刚石刀具、金刚石厚膜焊接刀具、金刚石涂层刀具等。

金刚石涂层常采用各种化学气相沉积法沉积，如热丝化学气相沉积法、等离子体化学气相沉积法，在车用铝合金、特种材料加工、刀具工业化等方面有广泛应用。需要注意的是，硬质合金中钴相的存在，以及金刚石涂层与基体热膨胀系数的差别，导致金刚石涂层与基体的接合力较差，金刚石涂层容易脱落，这是金刚石涂层刀具的致命缺陷。

金刚石涂层的制备技术

2.类金刚石

类金刚石是一种性质介于金刚石和石墨之间的亚稳态非晶碳，具有硬度高、摩擦因数低、膜层致密性好、化学性质稳定等优良性能。类金刚石涂层作为一种理想的涂层材料，被广泛应用于硬质合金刀具。

目前，类金刚石涂层主要面临两方面问题：一是类金刚石涂层的涂层基体接合力

差，生产过程中产生的高应力和高硬度会导致变形；二是类金刚石涂层的热稳定性差，当温度超过400℃时，类金刚石的晶体结构会向石墨结构转变，造成涂层结构不稳定。针对以上两种缺陷，目前的解决办法是通过掺杂改变性能。例如采用金属、硅等作为过渡层，可提高类金刚石涂层与基体间的接合力，对涂层性质进行一些改善。

类金刚石等碳系材料的差异

3.立方氮化硼

立方氮化硼是在高温高压下人工合成的立方结构氮化物，显微硬度可以达到50GPa~80GPa，仅次于金刚石，具有良好的导热性，热膨胀系数小，密度较低。立方氮化硼与铁族元素几乎不发生反应，化学性质稳定，广泛应用于高速钢等难加工材料的加工。立方氮化硼涂层厚度和涂层基体接合力是当前立方氮化硼涂层的主要研究方向。

刀具材料的发展与切削加工高速化的关系

总结

刀具的涂层材料目前仍有很大的研究空间，通过合理设计涂层结构，改善涂层性能，可以促进涂层向多元化、多层化发展。通过研究发现，单纯提高涂层硬度并不能高效提升涂层综合使用性能，超硬涂层材料普遍存在高硬度所带来的涂层基体接合力差、涂层易脱落、涂层寿命缩短等问题。在涂层中添加润滑元素来降低涂层摩擦因数，改善涂层磨损性能，是今后刀具表面硬质涂层研究的方向之一。

参考来源：

1.涂层技术与硬质涂层材料的研究现状，刘士嘉、鞠洪博、许俊华、喻利花（上海电气技术）；

2.涂层刀具的涂层材料、涂层方法及发展方向，王宝友、崔丽华（机械）；

3.硬质合金刀具的类金刚石涂层的研究进展，赵佳群（科技创新导报）。

粉体圈 小吉

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