刀具涂層材料在機(jī)械切削和打磨過程中至關(guān)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(chǎn)效率和加工質(zhì)量。文章總結(jié)了幾種類型涂層的研究現(xiàn)狀，闡述了多種元素的應(yīng)用對刀具涂層種類的影響，分析了各類涂層性能的優(yōu)缺點(diǎn)，并討論了刀具涂層中非金屬元素的應(yīng)用、抗氧化涂層、納米復(fù)合多層涂層、納米成分梯度涂層的優(yōu)勢和研究現(xiàn)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(jī)械加工過程中至關(guān)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(jìn)步和市場需求的不斷增加，刀具涂層的研究和發(fā)展已經(jīng)成為機(jī)械加工領(lǐng)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(fù)合多層涂層、納米成分梯度涂層等成為機(jī)械加工領(lǐng)域刀具涂層的應(yīng)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(diǎn)多等特點(diǎn)，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(jīng)成功開發(fā)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(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)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(hù)層，防止刀具材料在高溫和高壓環(huán)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(hù)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(yīng)用廣泛。

　　涂層材料在機(jī)械加工領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用，隨著科技的不斷進(jìn)步，新型刀具涂層材料在加工技術(shù)的研究和發(fā)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(jìn)展，以便讀者了解涂層材料在機(jī)械加工領(lǐng)域的最新應(yīng)用和未來發(fā)展趨勢。

　　一、刀具涂層

　　刀具涂層簡述：高速鋼刀和硬質(zhì)合金刀在國內(nèi)外均有廣泛的應(yīng)用。近幾年來，在工業(yè)發(fā)達(dá)地區(qū)，使用涂層的刀具比例已超過半數(shù)。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(qiáng)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(qiáng)度的前提下，涂層可以提高刀具表面的堅(jiān)硬程度。

　　(2)提高刀具的抗黏性能，降低摩擦系數(shù)，顯著提升工件質(zhì)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(chǎn)效率和減少成本。

　　(4)涂層的應(yīng)用可以減少冷卻劑和潤滑劑的使用，減小對環(huán)境的污染。

　　(5)涂層由一種或多種物質(zhì)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(shù)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(xiàn)狀：隨著科技的飛速發(fā)展，新型的復(fù)雜材料被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)，傳統(tǒng)的刀具已經(jīng)不能滿足日益增長的生產(chǎn)需求，多樣化的刀具涂層應(yīng)運(yùn)而生。刀具涂層的使用需根據(jù)其特點(diǎn)和用途進(jìn)行選擇。一些常用的涂層材料特點(diǎn)及其用途如表1所示。

表1 常見的刀具涂層類型、特點(diǎn)及用途

　　涂層技術(shù)發(fā)展初期，首先出現(xiàn) TiC 和 TiN 涂層。TiC具有金屬性、離子性和共價(jià)性3種性質(zhì)，但主要表現(xiàn)為共價(jià)性，具有高硬度、高熔點(diǎn)、高耐腐蝕性等特點(diǎn)，同時(shí)還具備出色的耐磨性。TiN 具有較高硬度、低摩擦系數(shù)、高化學(xué)穩(wěn)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(shù)，增加涂層刀具的表面光潔度與耐磨性，從而進(jìn)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(jìn)一步改善。

　　Al₂O₃涂層具有耐腐蝕性強(qiáng)、耐磨性好、高溫穩(wěn)定性好并能減少摩擦系數(shù)等優(yōu)點(diǎn)，但也存在硬度高、不易清洗、價(jià)格較高并且需要較高溫度才能發(fā)揮作用等缺點(diǎn)。由于Al₂O₃在高速切削過程中表現(xiàn)出良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及較強(qiáng)的耐高溫氧化特性，因此 Al₂O₃ 涂層在切削性能方面表現(xiàn)出色。但是Al₂O₃涂層也具有一定的缺陷，單相 Al₂O₃涂層的強(qiáng)度可以提供良好的耐久性，但它的熱膨脹系數(shù)比基體金屬材料要低得多，因此，當(dāng)受到巨大的負(fù)荷和沖擊時(shí)，很容易出現(xiàn)裂縫。此外，它的耐熱震性也很弱，無法抵御外界的溫度波動(dòng)。

　　在多種元素?fù)诫s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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn)，該涂層的組織結(jié)構(gòu)、殘余應(yīng)力、結(jié)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(gòu)成。

　　C元素可以單獨(dú)制備刀具涂層，其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的涂層性能。如金剛石，其硬度可達(dá) 10 000 HV，導(dǎo)熱系數(shù)達(dá)到 1 050 W/(cm·K)，而且摩擦系數(shù)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(zhì)量與金剛石本身的晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)有很大關(guān)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(zhì)量的影響更大。近幾十年來，許多先進(jìn)的技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于制造高質(zhì)量的金剛石薄膜，主要制備方法為化學(xué)氣相沉積法(CVD)。CVD 所制備的金剛石薄膜具有較高的結(jié)晶度、硬度和導(dǎo)電性等，因此在國內(nèi)外已引起廣泛關(guān)注。Sun 等利用 CVD 成功構(gòu)建了一種具有微米金剛石與納米金剛石雙重特性的復(fù)合涂層，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和表面光潔度均有顯著改善。Salgueiredo 等研究發(fā)現(xiàn)，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(qiáng)的黏接能力，其中，多層金剛石涂層的黏接力可達(dá) 800 N，而雙層金剛石涂層的黏接力可達(dá) 600 N，而單層金剛石涂層的黏接力則可達(dá) 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(dǎo)率，各種物理性能處于領(lǐng)先地位。c-BN 涂層的化學(xué)性能十分穩(wěn)定，能夠克服金剛石涂層在切削時(shí)的缺點(diǎn)。因此近年來，c-BN 涂層受到了全球?qū)W術(shù)界的廣泛關(guān)注和深入探索。盡管 c-BN 與基質(zhì)之間的黏附性較弱，但是可以通過過鍍層設(shè)計(jì)、工藝調(diào)整及基材表面處理等技術(shù)手段提升其結(jié)合強(qiáng)度，然而，這些技術(shù)仍處于探索階段，尚未得到實(shí)際應(yīng)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(zhì)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(wěn)定性，可以提高刀具的切削性能和耐用度。相對應(yīng)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(shù)，進(jìn)而有效阻止黏合，大大縮短干式切割設(shè)備的使用壽命，提高其可靠性與可維護(hù)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(yīng)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(yīng)用：將非金屬元素應(yīng)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(yīng)用中，非金屬元素的應(yīng)用可以歸納為以下幾種：

　　(1)C 元素可以形成不同的結(jié)構(gòu)，細(xì)化或抑制涂層的柱狀晶體。非晶態(tài)結(jié)構(gòu)避免了裂紋沿晶界擴(kuò)展，提高了刀具壽命。C的濃度也會決定涂層結(jié)構(gòu)和性能。Li等通過調(diào)節(jié)C/N原子質(zhì)量比，獲得TiAlCN 涂層的高附著力和低摩擦系數(shù)，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(fā)現(xiàn)，在 C/N 原子質(zhì)量比為 3∶32 時(shí)的效果最好，此時(shí)涂層硬度提高至 20. 36 GPa，柔韌性提高約 230%，黏附力達(dá)到 156 N，但摩擦系數(shù)僅為 0. 231 。

　　(2)在涂層中添加 Si元素可以細(xì)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(qiáng)高溫穩(wěn)定性和抗氧化性。Lee等通過對 CrAlSiN 抗氧化性能的分析，發(fā)現(xiàn)涂層中的 Al₂O₃、Cr₂O₃、SiO₂為抗氧化性能的主要貢獻(xiàn)者。Sun 等分析了 CrAlSiN 涂層在各種硅含量下的摩擦性能，結(jié)果表明：Si的用量為 5. 5% 時(shí)，其綜合力學(xué)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(tài)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(wěn)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(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性更是遠(yuǎn)超過金剛石，因此在材料制備中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。例如TiB₂涂層，它擁有出色的硬度、卓越的化學(xué)穩(wěn)定性以及優(yōu)異的抗黏附性，特別是在處理鈦鋁合金時(shí)，TiB₂的耐磨損性和長期使用壽命都大大超越了傳統(tǒng)的 TiAlN 涂層。試驗(yàn)表明，TiB₂優(yōu)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(shí)產(chǎn)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(jié)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(jìn)展，越來越多的非金屬元素的應(yīng)用催生出了多種刀具涂層，這不僅促進(jìn)了切削材料的發(fā)展，而且也解決了許多以往在加工一些材料時(shí) 出現(xiàn)的技術(shù)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(huán)境下工作，這會導(dǎo)致刀具表面的氧化和磨損?？寡趸毒咄繉涌梢宰柚沟毒弑砻娴难趸磻?yīng)，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?？寡趸毒咄繉泳哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：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(fā)生反應(yīng)， 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(zhì)量和加工精度。

　　納米復(fù)合多層涂層：納米復(fù)合多層涂層由多個(gè)納米層組成，其中每個(gè)納米層由不同的材料構(gòu)成，并具有不同的性能和功能。這種涂層具有多層結(jié)構(gòu)，可以顯著提高涂層的性能和使用壽命，已成為當(dāng)今研究的重要方向。

　　研究發(fā)現(xiàn)將“軟”涂層與“硬”涂層復(fù)合，可以適應(yīng)復(fù)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(chǎn)生的大量熱量不能及時(shí)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(huán)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(qiáng)度，可以有效降低切削力。Lian 等將 CrCN 與 WS₂組成復(fù)合涂層用于各類干切削中。隨著切割強(qiáng)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(chǎn)生。同時(shí)，由于 CrCN-WS₂ 涂層具有出色的結(jié)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(jié)合，制備出一種新型涂層，在滑動(dòng)干摩擦條件下，該涂層表現(xiàn)出卓越的耐磨性和與基體材料的良好黏附力。

　　Wei等研究發(fā)現(xiàn)，涂層性能的提高與多層涂層的雙分子層周期密切相關(guān)。當(dāng)雙分子層周期(>50 nm)持續(xù)增加時(shí)，涂層的硬度也可能上升。Sui 等研究發(fā)現(xiàn)，TiAlN/CrN 涂層的雙分子層周期為 25 nm 時(shí)涂層的切削能力最優(yōu)。多層結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提高了涂層力學(xué)和熱性能，增強(qiáng)了刀具導(dǎo)熱性，從而減少刀具切削時(shí)切削面的連續(xù)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(yōu)秀的物理、化學(xué)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(nèi)外界面的應(yīng)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(fù)合技術(shù)，制備 Al、Si 含量梯度變化的 CrAlSiN 涂層，結(jié)果顯示，多層 CrAlSiN 涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨性和抗高溫氧化性。采用梯度結(jié)構(gòu)，可以將涂層和基體牢固地連接起來，極大地提升黏接強(qiáng)度和耐腐蝕性。此外，由于梯度結(jié)構(gòu)的密實(shí)性，它們在高溫條件下的熱膨脹會導(dǎo)致裂縫、孔洞等缺陷的出現(xiàn)，這也會提升它們的黏接強(qiáng)度。

　　三、結(jié)語

　　采用合適的刀具涂層，可以顯著改善切削質(zhì)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(chuàng)新刀具涂層的優(yōu)異性能，探索切削機(jī)理及其在切削過程中表現(xiàn)出的規(guī)律，以解決切削過程中出現(xiàn)的問題將是主流方向。應(yīng)對刀具涂層的類型、結(jié)構(gòu)、成分進(jìn)行深入的研究，具體可參考以下幾個(gè)方面：

　　(1)由金屬元素與氮合成的氮化物涂層，經(jīng)過不斷的發(fā)展，已經(jīng)演變成由非金屬元素、金屬元素組成的復(fù)合體。這些元素的加入可以實(shí)現(xiàn)固溶強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)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(jī)械和物理特性，是當(dāng)前刀具涂層領(lǐng)域的重要方向。

　　(2)“軟”涂層具有較低的摩擦系數(shù)和自潤滑性能，可以單獨(dú)使用或與“硬”涂層復(fù)合使用，并表現(xiàn)出良好的效果。研究開發(fā)出軟硬結(jié)合的新型涂層技術(shù)，以及新的鍍膜技術(shù)，將成為未來發(fā)展的重要趨勢。經(jīng)過對當(dāng)前涂層工藝的改進(jìn)，可以有效控制涂層的組成和微觀結(jié)構(gòu)，從而有助于提升涂層的品質(zhì)。

　　(3)結(jié)構(gòu)上，涂層的變化從單一層向多層復(fù)合、納米復(fù)合、梯度復(fù)合等復(fù)雜的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。多層納米結(jié)構(gòu)和復(fù)雜結(jié)構(gòu)可以改變涂層表面結(jié)構(gòu)來提升其硬度和模量，成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界的研究熱點(diǎn)。采用多種結(jié)構(gòu)的組合以及精心設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，可以顯著改善涂層的整體表現(xiàn)。

　　參考文獻(xiàn)略.