涂層刀具是在強(qiáng)度和韌性較好的硬質(zhì)合金或高速鋼(HSS)基體表面上，利用氣相沉積方法涂覆一薄層耐磨性好的難熔金屬或非金屬化合物（也可涂覆在陶瓷、金剛石和立方氮化硼等超硬材料刀片上）而制備的。
涂層作為一個(gè)化學(xué)屏障和熱屏障，減少了刀具與工件間的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，從而減少了基體的磨損。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性，切削時(shí)可比未涂層刀具壽命提高3~5倍以上，提高切削速度20%~70%，提高加工精度0.5~1級(jí)，降低刀具消耗費(fèi)用20%~50%。
涂層刀具已成為現(xiàn)代切削刀具的標(biāo)志，在刀具中的使用比例已超過(guò)50%。切削加工中使用的各種刀具，包括車(chē)刀、鏜刀、鉆頭、鉸刀、拉刀、絲錐、螺紋梳刀、滾壓頭、銑刀、成形刀具、齒輪滾刀和插齒刀等都可采用涂層工藝來(lái)提高它們的使用性能。
目前，常用的刀具涂層方法有化學(xué)氣相沉積法(CVD)和物理氣相沉積法(PVD)兩種。近年來(lái)出現(xiàn)一些新的涂層工藝，具有良好的應(yīng)用前景。
涂層方法
生產(chǎn)上常用的涂層方法有兩種：物理氣相沉積（PVD) 法和化學(xué)氣相沉積（CVD) 法。前者沉積溫度為500℃，涂層厚度為2~5μm；后者的沉積溫度為900℃~1100℃，涂層厚度可達(dá)5~10μm，并且設(shè)備簡(jiǎn)單，涂層均勻。
因PVD法未超過(guò)高速鋼本身的回火溫度，故高速鋼刀具一般采用PVD法，硬質(zhì)合金大多采用CVD法。
硬質(zhì)合金用CVD法涂層時(shí)，由于其沉積溫度高，故涂層與基體之間容易形成一層脆性的脫碳層（η相），導(dǎo)致刀片脆性破裂。
近十幾年來(lái)，隨著涂覆技術(shù)的進(jìn)步，硬質(zhì)合金也可采用PVD法。國(guó)外還用PVD/CVD相結(jié)合的技術(shù)，開(kāi)發(fā)了復(fù)合的涂層工藝，稱(chēng)為PACVD法（等離子體化學(xué)氣相沉積法）。即利用等離子體來(lái)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，可把涂覆溫度降至400℃以下（涂覆溫度已可降至180℃~200℃），使硬質(zhì)合金基體與涂層材料之間不會(huì)產(chǎn)生擴(kuò)散、相變或交換反應(yīng)，可保持刀片原有的韌性。
CVD法屬于原子沉積類(lèi)，是利用金屬鹵化物的蒸氣、氫氣和其他化學(xué)成分，在950~1050℃的高溫下，進(jìn)行分解、熱合等氣、固反應(yīng)沉積物以原子、離子、分子等原子尺度的形態(tài)在加熱基體表面形成固態(tài)沉積層的一種方法，其過(guò)程包括三個(gè)階段：物料汽化、運(yùn)輸?shù)交w附近和在基體上形成覆蓋層。
CVD技術(shù)主要用于硬質(zhì)合金車(chē)削類(lèi)刀具的表面涂層，其涂層刀具適合于中型、重型切削的高速粗加工及半精加工。
CVD法與其他涂層方法比較，不僅設(shè)備簡(jiǎn)單，工藝成熟，還有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、沉積物種類(lèi)多，能涂金屬、合金、碳化物、氮化物、硼化物、氧化物、碳氮化物、氧氮化物氫碳氮化物等。
2、有高度的滲透性和均勻性，可獲得不同組織的多層涂層，涂層厚薄均勻。
3、沉積速率高，而且容易控制。
4、涂層純度高，晶粒細(xì)而致密。
5、黏附力較強(qiáng)，可獲得較厚的涂層。
6、工藝成本低，適合大量生產(chǎn)。
PVD法是利用蒸發(fā)或?yàn)R射等物理形式把材料從靶源移走，然后通過(guò)真空或半真空空間使這些攜帶能量的蒸氣離子沉積到基片或零件表面以形成膜層，通過(guò)氣相反應(yīng)過(guò)程，使蒸發(fā)或?yàn)R射出的金屬原子發(fā)生氣相反應(yīng)，從而在刀具表面沉積出所要求的化合物。PVD涂層能涂氮化鈦、碳氮化鈦、鋁鈦氮化合物，以及各種難熔金屬的碳化物和氮化物。
目前，常用的PVD方法有低壓電子束蒸發(fā)(LVEE)法、陰極電子弧沉積法(CAD)、晶體管高壓電子束蒸發(fā)法( THVEE)、非平衡磁控濺射法(UMS)、離子束協(xié)助沉積法(IAD)和動(dòng)力學(xué)離子束混合法(DIM)。其主要差別在于，沉積材料的汽化方法以及產(chǎn)生等離子體的方法不同，而使得成膜速度和膜層質(zhì)量存在差異。
PVD技術(shù)主要應(yīng)用于整體硬質(zhì)合金刀具和高速工具鋼刀具的表面處理，已普遍應(yīng)用于硬質(zhì)合金鉆頭、銑刀、鉸刀、絲錐、異形刀具、焊接刀具等的涂層處理。
和CVD法比較，PVD法有以下優(yōu)點(diǎn)：
1、涂層溫度低于高速工具鋼回火溫度，故不會(huì)損害高速工具鋼刀具的硬度和尺寸精度，涂層后不再需要熱處理。
2、涂層有效厚度只有幾微米，故可保證刀具原有的精度，適于涂覆高精度刀具。
3、涂層的純度高，致密性好，涂層和基體的結(jié)合牢固，涂層性能不受基體材質(zhì)影響。
4、涂層均勻，切削刃和圓弧處無(wú)增厚或倒圓現(xiàn)象，故復(fù)雜刀具也能獲得均勻涂層。
5、不會(huì)產(chǎn)生脫碳相，也無(wú)CVD法因氯的浸蝕和氫脆變形所引起的涂層易脆裂的情況，涂層刀片強(qiáng)度較高。
6、工作過(guò)程干凈，無(wú)污染，無(wú)公害。
目前，PVD技術(shù)不僅提高了薄膜與刀具基體材料的結(jié)合強(qiáng)度，涂層成分也由單一涂層發(fā)展到了TiC、TiCN、ZrN、CrN、MoS2、 TIAIN、 TiAICN、TiN-AIN、CN等多種多元復(fù)合涂層，且由于納米級(jí)涂層的出現(xiàn)，使得PVD涂層刀具質(zhì)量又有了新的突破，這種薄膜涂層不僅結(jié)合強(qiáng)度高、硬度接近CBN、抗氧化性能好,并可有效地控制精密刀具刃口形狀及精度，在進(jìn)行高精度加工時(shí)，其加工精度毫不遜色于未涂層刀具。
涂層材料選擇標(biāo)準(zhǔn)
在涂層刀具制造過(guò)程中，硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、不與工件材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、耐熱耐氧化、摩擦因數(shù)低，以及與基體附著牢固等要求，其中涂層氧化性是與切削溫度最直接相關(guān)的技術(shù)條件。
所以硬質(zhì)涂層材料已由最初只能涂單一的TiC、TiN、Al2O3，進(jìn)入到開(kāi)發(fā)厚膜、復(fù)合和多元涂層的新階段。新開(kāi)發(fā)的TiCN、TiAlN、TiAlN多元、超薄、超多層涂層與TiC、TiN、Al2O3等涂層的復(fù)合，加上新型的抗塑性變形基體，在改善涂層的韌性、涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度、提高涂層耐磨性方面有了重大進(jìn)展。又突破了在硬質(zhì)合金基體上涂覆金剛石薄膜技術(shù)，全面提高了刀具的性能。
TiAlN涂層在高溫下仍能保持其硬度的原因在于可在刀具與切屑之間形成一層氧化鋁，氧化鋁層可將熱量從刀具傳入工件或切屑。與高速鋼刀具相比，硬質(zhì)合金刀具的切削速度通常更高，這就使TiAlN成為硬質(zhì)合金刀具的首選涂層，硬質(zhì)合金鉆頭和立銑刀通常采用這種PVDTiAlN涂層。
從應(yīng)用技術(shù)角度講：除了切削溫度外，切削深度、切削速度和冷卻液都可能對(duì)刀具涂層的應(yīng)用效果產(chǎn)生影響。
常用涂層材料進(jìn)展及超硬涂層技術(shù)
硬質(zhì)涂層材料中，工藝最成熟、應(yīng)用最廣泛的是TiN。目前，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家TiN涂層高速鋼刀具的使用率已占高速鋼刀具的50％一70％，有的不可重磨的復(fù)雜刀具的使用率已超過(guò)90％。
但TiN與基體結(jié)合強(qiáng)度不及TiC涂層，涂層易剝落，且硬度也不如TiC高，在切削溫度較高時(shí)膜層易氧化而被燒蝕。TiC涂層有較高的硬度與耐磨性，抗氧化性也好，但其性脆，不耐沖擊。TiCN兼有TiC和TiN兩種材料的優(yōu)點(diǎn)，它在涂覆過(guò)程中可通過(guò)連續(xù)改變C、N的成份控制TiCN性質(zhì)，并形成不同成份的多層結(jié)構(gòu)，可降低涂層的內(nèi)應(yīng)力，提高韌性，增加涂層的厚度，阻止裂紋的擴(kuò)展，減少崩刃。
TiAlN、CrN、TiAlCrN是開(kāi)發(fā)的硬質(zhì)涂層新材料。TiAlN涂層刀片已商品化。它的化學(xué)穩(wěn)定性和抗氧化磨損性能好，用其加工高合金鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳合金時(shí)的刀具壽命可比TiN涂層高3~4倍。此外，TiAlN涂層中如果有合適的鋁濃度，切削時(shí)在刀具前刀面和切屑的界面上還會(huì)產(chǎn)生一層硬質(zhì)的惰性保護(hù)膜，該膜有較好的隔熱性，可更有效地用于高速切削。
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