刀具涂层材料在机械切削和打磨过程中至关重要，其可以提高刀具的寿命、减少摩擦和磨损，从而提高生产效率和加工质量。文章总结了几种类型涂层的研究现状，阐述了多种元素的应用对刀具涂层种类的影响，分析了各类涂层性能的优缺点，并讨论了刀具涂层中非金属元素的应用、抗氧化涂层、纳米复合多层涂层、纳米成分梯度涂层的优势和研究现状。未来刀具涂层将更加多样化、高性能化，为刀具提供更好的性能，从而提高刀具的使用效率和寿命。
刀具涂层是机械加工过程中至关重要的一部分。其主要作用是提高工件表面的光洁度、硬度、耐磨性和抗腐蚀性等。在过去的几十年中，刀具涂层的研究主要集中在改善其性能、提高其使用寿命和减少加工表面的磨损等方面。随着科技的不断进步和市场需求的不断增加，刀具涂层的研究和发展已经成为机械加工领域的重要课题。近年来，非金属元素的掺杂、抗氧化涂层、纳米复合多层涂层、纳米成分梯度涂层等成为机械加工领域刀具涂层的应用研究方向。
纳米涂层是刀具涂层材料研究的重要方向之一。纳米涂层具有比表面积大、表面能高、活性位点多等特点，可以提高涂层材料的硬度、耐磨性和耐腐蚀性等性能。近年来，研究人员已经成功开发出多种纳米涂层，如纳米TiN、纳米 Al2O3、纳米 CrAlSiN 等，这些材料在刀具、模具等领域得到了广泛应用。其次，抗氧化涂层也是重要研究方向之一，抗氧化刀具涂层是一种能够防止刀具材料氧化的涂层。这种涂层通常由抗氧化金属或合金组成，如钨、铬、钼、钴和铝等，可以在刀具表面形成一层保护层，防止刀具材料在高温和高压环境下被氧化和腐蚀;此外，抗氧化涂层还可以提高刀具的硬度和耐磨性;可以更好地保护刀具表面，防止磨损和刮伤。因此，抗氧化涂层在高速切削、高温切削和重载切削等恶劣条件下应用广泛。
涂层材料在机械加工领域中发挥着重要的作用，随着科技的不断进步，新型刀具涂层材料在加工技术的研究和发展中将会变得越来越重要。本文旨在概述近年来涂层材料的最新研究进展，以便读者了解涂层材料在机械加工领域的最新应用和未来发展趋势。
一、刀具涂层
刀具涂层简述：高速钢刀和硬质合金刀在国内外均有广泛的应用。近几年来，在工业发达地区，使用涂层的刀具比例已超过半数。通过将高硬度耐磨薄片覆盖于刀具材料的表面，能够有效地缓解其硬度、耐磨性、弯曲强度与耐冲击性之间的不平衡，从而提升其使用寿命。并且可以有效地防止刀具与工件的直接接触，显著改善它们的抗氧化、抗黏附、抗磨损、抗凹凸不平等特性。综合考虑，刀具涂层的显著特征可概括为：
(1)在不损害刀具强度的前提下，涂层可以提高刀具表面的坚硬程度。
(2)提高刀具的抗黏性能，降低摩擦系数，显著提升工件质量。
(3)在高速切削加工过程中，提高刀具的使用寿命，从而大幅提升生产效率和减少成本。
(4)涂层的应用可以减少冷却剂和润滑剂的使用，减小对环境的污染。
(5)涂层由一种或多种物质制得，因此涂层的种类繁多。使用涂层可大大降低所需刀片的种类和数量，并且提升刀具涂层的适用性和加工范围。
刀具涂层研究现状：随着科技的飞速发展，新型的复杂材料被广泛应用于制造业，传统的刀具已经不能满足日益增长的生产需求，多样化的刀具涂层应运而生。刀具涂层的使用需根据其特点和用途进行选择。一些常用的涂层材料特点及其用途如表1所示。
表1 常见的刀具涂层类型、特点及用途
涂层技术发展初期，首先出现 TiC 和 TiN 涂层。TiC具有金属性、离子性和共价性3种性质，但主要表现为共价性，具有高硬度、高熔点、高耐腐蚀性等特点，同时还具备出色的耐磨性。TiN 具有较高硬度、低摩擦系数、高化学稳定性，并且能够大大降低加工刀具与切削工件之间的摩擦系数，增加涂层刀具的表面光洁度与耐磨性，从而进一步改善刀具的切削加工条件与服役寿命。并且在 TiC、TiN 涂层中引入 Al 元素后，它们的氧化温度还能得到进一步改善。
Al2O3涂层具有耐腐蚀性强、耐磨性好、高温稳定性好并能减少摩擦系数等优点，但也存在硬度高、不易清洗、价格较高并且需要较高温度才能发挥作用等缺点。由于Al2O3在高速切削过程中表现出良好的化学稳定性以及较强的耐高温氧化特性，因此 Al2O3 涂层在切削性能方面表现出色。但是Al2O3涂层也具有一定的缺陷，单相 Al2O3涂层的强度可以提供良好的耐久性，但它的热膨胀系数比基体金属材料要低得多，因此，当受到巨大的负荷和冲击时，很容易出现裂缝。此外，它的耐热震性也很弱，无法抵御外界的温度波动。
在多种元素掺杂的各类涂层中，非金属元素的掺杂最为广泛，且主要是Si元素，掺杂这种元素可以大大提升刀具涂层微结构的精度和切削性能。Zhang 等采用阴极真空电弧工艺制备 AlCrTiSiN 涂层，研究发现，该涂层的组织结构、残余应力、结合力、耐磨性和切削性能均有明显的提升。其主要原因是该涂层由固溶相N和非晶相Si3N4构成。
C元素可以单独制备刀具涂层，其独特的结构使其具有优异的涂层性能。如金刚石，其硬度可达 10 000 HV，导热系数达到 1 050 W/(cm·K)，而且摩擦系数极低。但是金刚石薄膜的制备工艺繁琐，主要原因是制备的薄膜质量与金刚石本身的晶体结构和化学性质有很大关系，尤其是对于低维薄层金刚石薄膜(<10 nm)，沉积条件对薄膜质量的影响更大。近几十年来，许多先进的技术已经被应用于制造高质量的金刚石薄膜，主要制备方法为化学气相沉积法(CVD)。CVD 所制备的金刚石薄膜具有较高的结晶度、硬度和导电性等，因此在国内外已引起广泛关注。Sun 等利用 CVD 成功构建了一种具有微米金刚石与纳米金刚石双重特性的复合涂层，其结构强度和表面光洁度均有显著改善。Salgueiredo 等研究发现，通过 CVD 制备的微米/纳米金刚石的双层和多层涂层具有更强的黏接能力，其中，多层金刚石涂层的黏接力可达 800 N，而双层金刚石涂层的黏接力可达 600 N，而单层金刚石涂层的黏接力则可达 400 N。
立方氮化硼(c-BN)是一种超级金刚石，具有极高的硬度和极低的热导率，各种物理性能处于领先地位。c-BN 涂层的化学性能十分稳定，能够克服金刚石涂层在切削时的缺点。因此近年来，c-BN 涂层受到了全球学术界的广泛关注和深入探索。尽管 c-BN 与基质之间的黏附性较弱，但是可以通过过镀层设计、工艺调整及基材表面处理等技术手段提升其结合强度，然而，这些技术仍处于探索阶段，尚未得到实际应用。
上述涂层多以提高刀具硬度为主，又称为“硬”涂层，通常采用硬质材料和金属化合物制成。这些涂层具有高硬度、高耐磨性和高温稳定性，可以提高刀具的切削性能和耐用度。相对应的“软”涂层是一种以提高刀具耐用度为主的涂层，通常采用润滑剂、油剂或高分子材料制成。这些涂层具有良好的柔韧性和耐磨性，能够在刀具与工件之间形成一层隔离层，减少摩擦和磨损，提高刀具寿命。2 种涂层的性能对比如表2所示。采用“软”涂层，可以有效降低摩擦系数，进而有效阻止黏合，大大缩短干式切割设备的使用寿命，提高其可靠性与可维护性。尽管其硬度不高，但其耐磨性却十分出色，因此可以被广泛应用于各种工具。
表2 “软”“硬”涂层性能对比
二、刀具涂层的研究方向
刀具涂层中非金属元素的应用：将非金属元素应用到涂层中，可以显著改善涂层的性能，从而提升刀具涂层的使用寿命。在涂层应用中，非金属元素的应用可以归纳为以下几种：
(1)C 元素可以形成不同的结构，细化或抑制涂层的柱状晶体。非晶态结构避免了裂纹沿晶界扩展，提高了刀具寿命。C的浓度也会决定涂层结构和性能。Li等通过调节C/N原子质量比，获得TiAlCN 涂层的高附着力和低摩擦系数，减少了各类高速切削过程中的磨损，抑制了黏着磨损，增加了涂层的使用寿命。研究发现，在 C/N 原子质量比为 3∶32 时的效果最好，此时涂层硬度提高至 20. 36 GPa，柔韧性提高约 230%，黏附力达到 156 N，但摩擦系数仅为 0. 231 。
(2)在涂层中添加 Si元素可以细化晶粒，在氮化物涂层中添加硅元素还能形成 Si-N 化合物，提高涂层的硬度并增强高温稳定性和抗氧化性。Lee等通过对 CrAlSiN 抗氧化性能的分析，发现涂层中的 Al2O3、Cr2O3、SiO2为抗氧化性能的主要贡献者。Sun 等分析了 CrAlSiN 涂层在各种硅含量下的摩擦性能，结果表明：Si的用量为 5. 5% 时，其综合力学性能最佳。TiAlN涂层中添加Si元素，可以抑制柱状晶的生长，形成一层非晶态Si-N化合物包覆的TiAlN纳米晶，从而提升涂层的硬度、抗氧化性和热稳定性。
(3)硼元素与金属元素形成的硼化物具有出色的硬度和耐磨性，其硬度仅次于金刚石，而且其热稳定性和化学稳定性更是远超过金刚石，因此在材料制备中具有重要的应用价值。例如TiB2涂层，它拥有出色的硬度、卓越的化学稳定性以及优异的抗黏附性，特别是在处理钛铝合金时，TiB2的耐磨损性和长期使用寿命都大大超越了传统的 TiAlN 涂层。试验表明，TiB2优异的性能源于它的自润滑性，可以有效避免刀具在切割钛铝合金时产生的黏着问题。TiB2涂层可以在切削过程中形成一层自润滑膜，有效地抑制黏结物的生长，并且可以显著降低摩擦力。
近年来，针对具有非金属元素的刀具涂层的研究取得了长足的进展，越来越多的非金属元素的应用催生出了多种刀具涂层，这不仅促进了切削材料的发展，而且也解决了许多以往在加工一些材料时 出现的技术难题。
抗氧化涂层：抗氧化刀具涂层通常由抗氧化材料制成，其作用是提高刀具的耐用性和寿命。在切削加工中，刀具通常会在高温和高压环境下工作，这会导致刀具表面的氧化和磨损。抗氧化刀具涂层可以阻止刀具表面的氧化反应，从而减少磨损和延长刀具的使用寿命。在磨削加工中，抗氧化刀具涂层可以减少砂轮和刀具之间的摩擦，从而提高刀具的寿命。抗氧化刀具涂层具有以下优点：提高刀具的抗氧化性，防止刀具表面与空气中的氧和其他气体发生反应， 从而减少磨损和腐蚀;延长刀具的使用寿命，减少加工成本;提高刀具的表面质量和加工精度。
纳米复合多层涂层：纳米复合多层涂层由多个纳米层组成，其中每个纳米层由不同的材料构成，并具有不同的性能和功能。这种涂层具有多层结构，可以显著提高涂层的性能和使用寿命，已成为当今研究的重要方向。
研究发现将“软”涂层与“硬”涂层复合，可以适应复杂情况下对各类材料的加工。研究表明，各类干切削过程中产生的大量热量不能及时排出，增加了黏着引起的刀具磨损。通过使用“软”涂层，可以大大改善“硬”涂层的切削环境，提高刀具的耐磨性和寿命。常见的“软”涂层材料包括 WS2、MoS2、WC/C 和 TaS2/Mo 等。WS2“软”涂层具有极低的剪切强度，可以有效降低切削力。Lian 等将 CrCN 与 WS2组成复合涂层用于各类干切削中。随着切割强度和切割压力的减少，切割热量下降，从而使切割温度下降，减少刀具的磨损和防止积屑瘤产生。同时，由于 CrCN-WS2 涂层具有出色的结合力，使得它比单层 CrCN涂层刀具的使用寿命更长。Lukaszowicz等将其与MoS2“软”涂层结合，制备出一种新型涂层，在滑动干摩擦条件下，该涂层表现出卓越的耐磨性和与基体材料的良好黏附力。
Wei等研究发现，涂层性能的提高与多层涂层的双分子层周期密切相关。当双分子层周期(>50 nm)持续增加时，涂层的硬度也可能上升。Sui 等研究发现，TiAlN/CrN 涂层的双分子层周期为 25 nm 时涂层的切削能力最优。多层结构的设计提高了涂层力学和热性能，增强了刀具导热性，从而减少刀具切削时切削面的连续黏附，减少堆积边(BUE)的形成。
纳米成分梯度多层涂层：梯度涂层是一种成分含量梯度变化的涂层，具有优秀的物理、化学性能和生物相容性。目前，梯度涂层的研究主要集中在刀具表面的硬度、耐磨性、耐热性和耐腐蚀性等方面。
在垂直于膜的方向上，梯度涂层中不同组分的配比是渐变的，该渐变策略可以有效地减少基材与基材、内外界面的应力集中，大大提高了薄膜与基材的黏接能力，从而提高了刀具的使用年限。梁杨梦甜利用高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)和直流磁控溅射(DCMS)复合技术，制备 Al、Si 含量梯度变化的 CrAlSiN 涂层，结果显示，多层 CrAlSiN 涂层具有优异的力学性能、耐磨性和抗高温氧化性。采用梯度结构，可以将涂层和基体牢固地连接起来，极大地提升黏接强度和耐腐蚀性。此外，由于梯度结构的密实性，它们在高温条件下的热膨胀会导致裂缝、孔洞等缺陷的出现，这也会提升它们的黏接强度。
三、结语
采用合适的刀具涂层，可以显著改善切削质量，并且大大提升加工效率。在未来的刀具涂层研究中，通过组合和创新刀具涂层的优异性能，探索切削机理及其在切削过程中表现出的规律，以解决切削过程中出现的问题将是主流方向。应对刀具涂层的类型、结构、成分进行深入的研究，具体可参考以下几个方面：
(1)由金属元素与氮合成的氮化物涂层，经过不断的发展，已经演变成由非金属元素、金属元素组成的复合体。这些元素的加入可以实现固溶强化和细晶强化，从而提升涂层的整体性能。添加多种元素使涂层具有多种机械和物理特性，是当前刀具涂层领域的重要方向。
(2)“软”涂层具有较低的摩擦系数和自润滑性能，可以单独使用或与“硬”涂层复合使用，并表现出良好的效果。研究开发出软硬结合的新型涂层技术，以及新的镀膜技术，将成为未来发展的重要趋势。经过对当前涂层工艺的改进，可以有效控制涂层的组成和微观结构，从而有助于提升涂层的品质。
(3)结构上，涂层的变化从单一层向多层复合、纳米复合、梯度复合等复杂的结构转变。多层纳米结构和复杂结构可以改变涂层表面结构来提升其硬度和模量，成为当今学术界的研究热点。采用多种结构的组合以及精心设计的结构，可以显著改善涂层的整体表现。
参考文献略.