涂層刀具的出現是刀具發展史上的重大突破，它具有良好的切削性能，而且涂層材料作為化學屏障和熱屏障，減小了月牙洼磨損，耐磨性良好。與未涂層刀具相比，涂層刀具加工精度提高0．5～1級，刀具消耗費用降低20％～50％，耐磨性提高2～10倍，切削速度提高25％～70％，使用壽命延長3～5倍 。
多年來，困內外涂層刀具的研究主要集中在TiN涂層上，并取得了一定的成效，目前TiC、TiN等單涂層刀具已經大量產業化。為了進一步提高涂層刀具的使用性能，以（Ti，Al）N涂層為代表的多元復合涂層刀具近10年得到了廣泛的應用。目前，多元多層復合涂層刀具的發展在國內尚屬于起步階段，以期獲得更完善的綜合性能。
1 單涂層刀具的切削性能
1．1 TiC系涂層刀具
TiC涂層刀具的優越性表現在高的切削速度和優良的抗機械磨損、磨料磨損性能上。用涂層刀具車削中碳鋼時，其后刀面及前刀面磨損速度分別只有未涂層刀具的l／10及1／l00，具有良好的抗月牙洼磨損能力；在耐磨性相同時，其切削鋼的速度可提高50％～l00％，有時可高達2～3倍；銑削45#鋼時，其刀具耐磨性比硬質合金銑刀高3倍，切削效率可提高50％。TiC涂層刀具具有較小的切削力和較低的切削溫度，應用溫度為300℃左右。
但是，TiC涂層脆性大，不耐沖擊。在沉積TiC涂層時，基體與涂層之間生成脆性的中間層η相（Co3 W3C）。這是由于C的不足，WC置換生成W2C，它與WC的粘合劑Co結合生成η相。η相過厚會造成TiC涂層的破碎。實驗證明，η相控制在1～2μm時刀具耐磨性高，涂層不會產生宏觀裂紋或脫落現象。
TiC涂層刀具適合在中速或高速條件下使用。這是由于在高速高溫下，TiC涂層刀具具有良好的抗擴散和抗氧化性能；而在低速低溫下，刀具磨損以粘結磨損和磨料磨損為主，涂層刀具表面脆性較大，抗拉強度低，而且還常常存在殘余應力，容易產生剝落和崩刃現象，刀具耐磨性甚至還低于未涂層的刀具。
1．2 TiN系涂層刀具
TiN涂層月具是第一種產、業化、并在刀具行業得到廣泛應用的硬質涂層刀具。目前國內外的刀具公司都有TiC和TiN涂層牌號的產品。盡管經過30多年的發展，涂層家族已出現了許多新的成員，但至今主流涂層仍是TiN涂層，同時它也是制備其它高性能涂層的基礎。
與TiC涂層刀具相比，TiN涂層刀具具有更低的摩擦系數和切削變形系數，因而切削力也更小。而且它的抗粘結溫度高，切削溫度為500℃左右，抗月牙洼磨損性能好。TiN涂層刀具適用于硬質難加工材料及精密、形狀復雜的軸承等耐磨件，對易粘結在刀具前刃面上的工件，切削效果更明顯。目前發達國家中，TiN涂層刀具的使用率占刀具總數的50％～70％，有些不可重磨的復雜刀具的使用率已超過90％。經TiN涂層后的絲錐耐磨性可提高5～10倍；鉆頭耐磨性提高3～10倍；銑刀耐磨性提高6～10倍。TiN涂層刀具的使用壽命也得到了普遍的延長，涂層后的高速鋼鉆頭壽命延長5～7倍；硬質合金銑刀的壽命延長3～11倍；M3滾刀的壽命提高8倍多。

1．3 Al2O3系涂層刀具
Al2O3涂層是氧化物陶瓷涂層，它的刀具切削性能優于TiC和TiN涂層刀具。Al2O3涂層刀具具有更好的化學穩定性和抗高溫氧化能力，因此具有更好的抗月牙洼磨損和抗刃口熱塑性變形的能力，適用于陶瓷刀具因脆性大而易于崩刃和打刀的場合。在連續切削的條件下，涂層的耐磨性和熱穩定性是影響刀具耐磨性的主要因素。Al2O3。涂層刀具由于具有高的硬度和優良的抗氧化能力，其切削性能優于TiC涂層刀具；但在斷續切削條件下，由于有沖擊力的作用，涂層的韌性成為影響耐磨性的主要因素。Al2O3涂層刀具的韌性較差，故其耐沖擊性能遠不如TiC和TiN涂層刀具。用Al2O3 涂層的硬質合金刀具加工汽車鑄鐵剎車盤、剎車鼓和軸承蓋時，其耐磨性比TiC涂層刀具高2～4倍，比普通的硬質合金刀具高6～8倍。
1．4 其它XN系涂層刀具（x=Cr，Zr，Hf等））
CrN系涂層因其具有良好的抗氧化、耐腐蝕及抗磨損性能而受到較多的關注。它在抗微動磨損上表現尤佳，抗氧化溫度高達700℃，但脆性比較大。CrN涂層刀具主要用于塑膠模具、沖頭等零部件的加工，由于它是無鈦涂層，可以有效地切削鈦、鈦合金及鋁合金等軟材料，而且它可達到極高的沉積速率且其工藝較易控制，有利于大批量的工業生產，所以更加具有實際意義。#p#分頁標題#e#
ZrN系涂層刀具的耐磨性是TiN涂層刀具的3倍，涂層與基體有很牢固的結合強度，因此有很高的耐沖擊性，它的抗氧化溫度為700℃，具有較好的化學穩定性能。ZrN涂層刀具已在鋁合金、銅合金及一些精密工件的切削加工上獲得了廣泛的應用。由于ZrN涂層可以減少與Ti合金的粘結磨損，很適用于切削Ti及Ti合金，用于Ti合金鋼板的ZrN涂層鉆頭的壽命比TiN涂層鉆頭的長l倍多。J A Sue等將ZrN、TiN等涂層與鎳鉻718合金配副，在500℃時ZrN的耐高溫磨損性能優于TiN涂層。Jie Gu等將ZrN涂層應用于高速切削刀具，能有效降低刀具的磨損，提高工件的切削質量。
HfN系涂層的熱膨脹系數非常接近硬質合金基體，刀具的熱應力很小，不易崩刀。而且與很多高熔點材料相比，HfN涂層的熱穩定性和化學穩定性高，在溫度高達1200℃時仍有3000HV的硬度，沒有生成脆性η相，因此HfN涂層刀具具有良好的耐磨性能。目前，美國Teledyne公司牌號為HN+4的刀片及德國Walter公司牌號為WHN的刀片都是HfN涂層刀片。
此外，由于TiC、TiN涂層與鈦合金和鋁合金材料之間的親和力會使摩擦力增大，產生粘屑。而BN、VN、Mo2N、Cr2O3等涂層化學穩定性好，適于切削Ti、Cu、Al及其合金材料。
2多元復合涂層刀具的切削性能
單涂層刀具由于基體與涂層兩者的彈性模量及熱膨脹系數相差較大，晶格類型也不盡相同，導致殘余應力增加、結合力較低。在單涂層中加入新的元素（如加入Cr和Y提高抗氧化性，加入Zr、V、B和Hf提高耐磨性，加入Si提高硬度和抗化學擴散）制備出多元復合涂層，可降低涂層的成分離析效應，并明顯提高涂層刀具的切削性能及耐磨性能。
2．1 Ti（C，N）系涂層刀具
Ti（C，N）涂層兼有TiC的高硬度和TiN的良好韌性，在涂鍍過程中可通過連續改變C和N的成分來控制涂層的性質，形成不同成分的梯度結構，減小涂層的內應力，阻止裂紋擴展，減少崩刃。Ti（C，N）涂層刀具有效地控制了脆性l相的生成，提高了刀具的耐磨性及韌性。Ti（C，N）高韌性涂層刀具特別適用于銑削、攻牙、沖壓、成型及滾齒的加工，在高速切削時比YTl4、YTl5硬質合金刀具的耐磨性高5～8倍。近年來，以Ti（C，N）為基的四元成分新涂層材料，如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等也紛紛出現。
成都工具研究所開發了我國首創的Ti-C-N-O-A1和Ti-C-N-B 2個系列的高性能涂層，具有優異的機械性能和切削性能，主要用于汽車刀具及Hertel系列螺紋梳刀片上。
2．2 （Ti，Al）N系涂層刀具
（Ti，Al）N涂層既具有接近TiC的高硬度、高耐磨性，又具有與TiN涂層相當的結合強度。當溫度超過750℃時，Al元素使涂層的外表面形成一層極薄的非晶態Al2O3,從而形成硬質惰性保護涂層，可以阻止進一步氧化，大大提高涂層的抗氧化性。所以（Ti，Al）N涂層具有優于TiC、TiN、Ti（C，N）等涂層的機械物理性能，這使得它適用于高速切削和干式切削。
（Ti，Al）N涂層刀具能有效地用于連續高速切削，尤其適用于高合金鋼、不銹鋼、高硅鋁合金、鈦合金、鎳合金等工件。在要求高耐磨性的條件下，TiN涂層刀具剛到磨損平緩區就超出切削要求而失效，而（Ti，Al）N涂層刀具經過平緩區后才開始磨損加劇而失效。又鑒于TiN涂層在高溫性能方面所表現的不足，（Ti，Al）N涂層刀具有望部分或完全替代TiN，刀具壽命比TiN延長3～4倍。近年來，德國SGS、日本住友等國外著名刀具公司先后推出了（Ti，Al）N涂層銑刀，它們能直接高速切削淬硬鋼，在淬硬鋼的半精及精加工中發揮著巨大作用。實驗證明，（Ti，AI）N涂層銑刀是目前高速銑削淬硬鋼中最理想的刀具。
從環境保護的角度來看，迫切需要干加工技術的快速發展。（Ti，Al）N涂層刀具由于具有良好的紅硬性、抗氧化性及比刀具基體和工件材料低得多的熱傳導系數，成為干切削加工中最好的涂層刀具。在高溫連續切削時，（Ti，Al）N干式切削性能大大強雖于TiN。（Ti，Al）N涂層鉸刀在干式切削和2倍常規切削速度的條件下，其斷面磨損量遠遠低于（Ti，Zr）N涂層鉸刀和ZrN涂層鉸刀。#p#分頁標題#e#
目前，在美、德、日等國家，（Ti，Al）N涂層刀具占所有涂層刀具的10％左右，且有上升趨勢。例如，Kennametal公司的H7刀片和Balzers公司的X．CEED刀片都是（Ti，AI）N涂層。三菱公司的MIRACLE涂層是含Al豐富的（A1，Ti）N涂層，實現了對淬火鋼的直接加工。另外，德國CemeCon公司開發的TiAlBN涂層，在加工過程中會產生“實時”現象，即通過8擴散形成BN、B2N3，從而得到有利于切削加工的潤滑涂層。日立公司還開發了在高溫下具有高硬度、高韌性及低摩擦系數的TiAlCN涂層，它們適用于車、銑、滾齒、攻牙及沖壓等工藝。
2．3 （Ti，x）N系涂層刀具（X=Cr，Si等）
（Ti，Cr）N涂層由于Cr元素的加入使硬度提高到3200HV左右，并有利于提高基體與涂層的結合強度，使刀具在700℃時還具有良好的抗氧化性，（Ti，Cr）-N涂層刀具適合高速加工，切削速度可達400m／min以上，是一種很有發展前景的新型涂層。
（Ti，Si）N涂層刀具的抗高溫氧化性能明顯提高。日立公司開發的適于硬切削的（Ti，Si）N涂層刀具具有3500HV的硬度和ll00℃的開始氧化溫度，使用壽命較TiN涂層刀具延長3～5倍。
2．4 （Ti，Al，X）N系涂層刀具（X=Cr，Si，Y，zr等）
向（Ti，AI）N中添加Cr、si、Y元素可以使涂層保持高硬度，而且還具有更好的抗氧化性能，氧化溫度為950℃。當致密的保護性Al2O3膜形成以后，Cr能提高抗氧化性能，使涂層表面在高溫下形成Cr2O3。等惰性氧化物和共價鍵AlN，這有利于刀具在高溫下保持高的硬度、韌性和結合力。這些優良性能使（Ti，Al，Cr）N涂層刀具具有更好的切削性能和長得多的使用壽命，且端面磨損量遠低于（Ti，Al）N。M2高速鋼麻花鉆經（Cr，Ti，Al）N涂層后，在于式切削條件下鉆削45#鋼、30CrMnSiA和D406A高強度鋼時，鉆頭的壽命比未涂層的分別延長約l9倍、l5．2倍和6倍。
（Ti，Al，Zr）N涂層刀具的硬度進一步提高到3500HV左右，但加入Zr元素會在高溫下形成ZrO，妨礙致密Al2O3防護層的生成，從而降低其抗氧化性。（Ti，Al，Si）N涂層刀具的氧化溫度為1100℃，切削性能及耐磨性明顯優于（Ti，Al）N涂層。目前，Teer公司已經將（Ti，Al，Cr）N、（Ti，Al，Si）N等涂層刀具用于對耐磨性、耐腐蝕性有較高要求的工件上。
2．5 其它非Ti基涂層刀具
日立公司以Cr元素代替Ti元素，開發出具有潤滑性的（Cr，Si）N涂層刀具及具有超強耐氧化性的Al，Cr，Si）N涂層刀具。它們更適用于鋁、不銹鋼等粘結性強的材料加工。
Balzers公司開發的G6刀具是（A1，Cr）N涂層，它的性能明顯優于Ti基涂層，具有3200HV的顯微硬度，使用溫度達到1000℃，韌性超過，Ti基涂層，可顯著減小刀具的摩擦磨損，顯著延長使用壽命，更適合斷續切削和難加工材料的加工。BA-LINITAI_GRONA涂層是G6刀具的首種產品，該銑刀和滾刀適用于非合金鋼、高強度和高硬度鋼的干式切削，也適用于高熱應力的加工。
3 多元多層復合涂層刀具的切削性能
3．1 簡單多層復合涂層刀具
多元涂層與基體的熱膨脹系數和彈性模量存在差異，在結構和性能上的匹配性較差，刀具往往會過早失效。多層梯度結構能極大地緩沖這些缺陷，增大涂層與基體的結合力；多層界面可打斷柱狀晶的生長，阻礙裂紋的擴展，提高表面的硬度；涂層和過渡層組成了穩定的耐磨損耐沖擊強化區，提高了韌性，從而使涂層的使用性能增強。目前，應用得較多的是層數在2～7之間的涂層刀具。
最早的多層涂層刀具是由TiN、TiC和Ti（C，N）組成的，每層涂層厚為數微米。TiC／TiN雙涂層刀具兼有TiC的高硬度和高耐磨性，并有TiN良好的耐沖擊性和良好韌性，涂層與鋼之間的摩擦系數小，抗氧化溫度達700℃左右，它能滿足高強度鋼的高速精加工要求。TiN／Ti（C，N）雙涂層能提高刀具的使用壽命、耐蝕性及抗開裂性。它的絲錐攻削鑄鐵件螺孔，攻絲效率平均提高5．59倍；它的高速鋼鉆頭鉆削40Cr鋼，切削壽命比涂TiN的鉆頭長3倍。#p#分頁標題#e#
A12O3涂層有很多優良的性能，但Al2O3。與基體的結合強度較差。由于TiC、TiN的熱膨脹系數接近基體，所以常用作多層涂層的底層。美國Carmet公司生產的牌號為54S的刀片是在含有TiC的基體上涂5／μm厚的Al2O3涂層，其抗后刀面磨損性能優于TiC和AI2O3涂層，用于高速切削時具有良好的切削性能。
劉建華等采用多弧離子鍍方法，在YG6、YTl4硬質合金基體上沉積ZrN／TiN復合涂層，涂層刀具切削力降低了20％；提高了涂層刀具的耐磨性能，有效地緩解了硬質合金刀具的后刀面磨損。
三涂層的組合方式很多，例如TiC／Ti（C，N）／TiN、TiC／TiN／Al2O3、TaC／TiC／TiN等，它們都是利用各涂層的優點，根據不同的切削條件組合而成的。最常見的是TiC／Ti（C，N）／TiN涂層，它的切削及耐磨性能好于TiC／TiN雙涂層，大多數涂層刀具廠家都有這種涂層刀具。Sandvik公司的GC415刀片是TiC／TiN／Al2O3涂層，其抗磨損能力優于Si3N4。日本不二越公司開發的SG新型涂層，其結構為TiN／Ti（C，N）／Ti，它的結合強度高，表層為Ti系特殊涂層，具有極好的耐熱性。
黃元林等在LF6防銹鋁的基體上采用多弧離子鍍技術沉積了Ti（C，N）／TiN／Ti（C，N）／TiN／Ti（C，N）／TiN 6層涂層，它的結合強度良好，耐磨性提高了10倍以上。
3．2 納米復合涂層刀具
近幾年來，隨著納米技術和涂鍍工藝的發展，納米復合涂層刀具已引起了廣大研究者的關注。盡管這些涂層大多是實驗室的結果，但它們顯示出了良好的切削前景，將是今后涂層刀具的應用熱點。21世紀以來，TIN／（Ti，Al）N、TiN／Ti（C，N）、TiN／CrN等納米復合涂層刀具已在世界發達國家中逐漸實現了商業化，使用壽命延長了近10倍。
住友公司開發的ACl05G等牌號的刀具是TiN／AlN納米復合涂層，層數可達2000層，每層厚度約為lnm。這種涂層的硬度接近CBN，抗剝離性強，而且可顯著改善刀具表面粗糙度，其壽命是TiN、（Ti，Al）N涂層的2～3倍。Balzers公司的FU—TUNA NANO和FUTUNA TOP刀片是2種（Ti，Al）N納米復合涂層，其硬度約為3300HV，氧化溫度為900℃。（Ti，AI）N還可與其它涂層組成復合涂層，目前（Ti，Al）N／Al2O3涂層已研究成功，其硬度可達4000HV，涂層數為400層，單層厚度為5nm，切削性能優于TiC／Al2O3／TiN涂層刀具。CemeCon公司利用磁控濺射生產的（Ti，Al）N／Al2O3。涂層，溫度低于450℃，在高性能合金材料上取得了滿意的結果。日立公司開發的（Ti，Si）N納米復合涂層刀具，其加工效率可提高2倍以上。同時，該公司還開發了適用于軟鋼加工的（Cr，Si）N納米復合涂層刀具。三菱綜合材料神戶工具采用先進的單相（A1，Ti，Si）N納米復合涂層技術生產的立銑刀，氧化溫度達到1300℃，與基材的結合力達l00N，可大幅延長刀具的壽命。
4 結語
涂層刀具在切削加工中的應用效果十分顯著，特別適用于高速切削、干切削及難加工材料的加工，尤其是在數控機床及自動線加工中經濟效果顯著。涂層刀具延長了刀具的使用壽命增大了機械加工的切削用量，提高了工件的表面質量，改善了切削環境。多元多層復合涂層刀具，尤其是納米復合涂層刀具可以發揮多種材料的優點，大大提高了刀具的切削性能和耐磨性能，成為刀具涂層體系中較完美的設計，并為超硬涂層在刀具業上的擴大應用提供了廣闊空間。目前，國外先進的涂層刀具技術已經發展到了第5代水平，而國內還仍在第2代技術水平上，比國外的技術落后l0年左右。我國涂層刀具的理論研究基本上與國外接軌，但如何指導工業化生產及進一步進行新技術的研發必須引起我們的思考和重視。