王云， 謝小豪， 汪艷亮， 陳顥

（江西理工大學(xué)，a.材料科學(xué)與工程學(xué)院；b.鎢資源高效開(kāi)發(fā)及應(yīng)用技術(shù)教育部工程研究中心，江西 贛州341000）

硬質(zhì)合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高彈性模量、優(yōu)異的耐磨損和耐腐蝕性能的特點(diǎn)，其材料已經(jīng)作為一種工具材料廣泛應(yīng)用于各類(lèi)機(jī)械加工、礦山采掘等行業(yè)[1].工業(yè)快速崛起及市場(chǎng)對(duì)硬質(zhì)合金刀具的需求不斷增加，使得硬質(zhì)合金刀具的性能有了更高的要求.隨之發(fā)展起來(lái)的是硬質(zhì)合金刀具表面改性技術(shù)即刀具涂層的制備工藝.刀具涂層的制備工藝發(fā)展有效地使工具獲得優(yōu)越全面的力學(xué)性能，提升了用于加工采掘刀具的使用壽命及顯著地提高了刀具的機(jī)械加工效率.因此硬質(zhì)合金刀具的性能很大程度取決于基體與涂層的制備工藝.

硬質(zhì)合金的涂層技術(shù)是近30年來(lái)發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，不斷成熟的涂層工藝使得刀具行業(yè)進(jìn)入一個(gè)嶄新的時(shí)期[2].經(jīng)過(guò)幾十年的探索研究，涂層的制備工藝和技術(shù)方法都有了巨大的突破，到目前為止，老牌工業(yè)國(guó)家的涂層刀具占據(jù)我國(guó)刀具的80%以上[3].這些刀具一般用于高精度機(jī)械加工車(chē)床以及精密設(shè)備.刀具涂層制備工藝和多涂層組合工藝的多樣化成為刀具再一次發(fā)展的新方向.

1 刀具涂層制備技術(shù)發(fā)展

化學(xué)氣相沉積法 （Chemical Vapor Deposition）和物理氣相沉積法 （Physical Vapor Deposition）是目前刀具涂層技術(shù)應(yīng)用最為廣泛的制備方法[4].CVD和PVD這2種方法都是原子級(jí)別的表面沉積技術(shù)，也都是制備難熔化合物膜的常用工藝方法[5].CVD和PVD可以通過(guò)控制設(shè)備的參數(shù)和靶材種類(lèi)以改變涂層單層膜、多層膜的化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)和生長(zhǎng)速率.這2種方法都是在真空氛圍中進(jìn)行，所以整個(gè)制備過(guò)程干凈沒(méi)有外界污染，CVD和PVD所制備的涂層質(zhì)量顯然比其他大部分方法制備的涂層質(zhì)量要好，性能要高，而且這2種方法容易實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)規(guī)模批量化生產(chǎn).同時(shí)這2種方法也有各自對(duì)應(yīng)的特點(diǎn).

此外，在刀具涂層制備技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，也相繼出現(xiàn)其他工藝方法,例如激光技術(shù)、離子束輔助沉淀（IBAD）、溶膠－凝膠法等[6].

1.1 化學(xué)氣相沉積和物理氣相沉積法

CVD是指在一定氣氛和溫度環(huán)境下，幾種氣體相互發(fā)生反應(yīng)或者氣體和基體之間反應(yīng)在基體表面生成化合物薄膜，使得材料表面表現(xiàn)出所需要的耐磨耐高溫以及特殊的電學(xué)或者光學(xué)等性能，圖1所示為典型的CVD工藝設(shè)備原理.約20年前，化學(xué)氣相沉積技術(shù)成功應(yīng)用于機(jī)械加工刀具的涂層制備[7].化學(xué)氣相沉積的關(guān)鍵步驟必須是氣相之間發(fā)生反應(yīng)或者氣相和基體表面發(fā)生反應(yīng)生成特定薄膜.化學(xué)氣相沉積技術(shù)的一個(gè)特點(diǎn)是必須在高溫 （900～1 200℃）環(huán)境下進(jìn)行，但是高溫環(huán)境容易導(dǎo)致基體形狀發(fā)生變化進(jìn)而導(dǎo)致涂層脫落[8].

PVD是將固態(tài)或者液態(tài)靶材用高溫蒸發(fā)、輝光放電、電弧、等離子體、激光束等形式激發(fā)成為氣相原子、分子、離子或者其他狀態(tài)的粒子，讓這些粒子在固態(tài)基體表面上發(fā)生沉積聚集，這樣一種生成固體薄膜的方法叫做物理氣相沉積，圖2所示為磁控濺射原理，圖3所示為陰極電弧離子鍍?cè)?PVD制備過(guò)程分為3個(gè)步驟.第1步是靶材料氣化，第2步是氣化材料的沉積，第3步是靶材料原子在基體表面結(jié)合過(guò)程和堆積成為涂層過(guò)程[9].從20世紀(jì)80年代開(kāi)始，PVD制備硬質(zhì)合金刀具涂層顯著地提高了刀具的強(qiáng)韌性、耐磨性和熱穩(wěn)定性，提升了刀具使用壽命，這一類(lèi)涂層性能的改善掀起了刀具發(fā)展的革命[10].目前，PVD技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于車(chē)刀、刨刀、銑刀、外表面拉刀、銼刀、孔加工刀具包括鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鏜刀等.不僅如此，涂層處理技術(shù)還開(kāi)始滲透于摩擦零部件和各類(lèi)前沿技術(shù)等方面.

所以，與PVD相比，CVD需要更加高的溫度要求，容易導(dǎo)致基體的顆粒二次長(zhǎng)大，這使得刀具發(fā)生形變以及力學(xué)性能下降，同時(shí)涂層穩(wěn)定性下降導(dǎo)致表面脫落.此外，PVD能使表面更加光滑、更能降低表面摩擦系數(shù)，同時(shí)能有利地防止刀具表面的橫向裂紋延伸.

圖1 典型的CVD工藝設(shè)備原理Fig.1 Schematic diagram of typical CVD process equipment

圖2 磁控濺射原理Fig.2 Schematic diagram of magnetron sputtering principle

圖3 陰極電弧離子鍍?cè)鞦ig.3 Schematic diagram of cathodic arc ion plating

1.2 刀具涂層新技術(shù)

離子束輔助沉積 （Ion Beam Assisted thin film Deposition，以下簡(jiǎn)稱(chēng)IBAD）這一工藝在1970出現(xiàn)，在1980年左右被大眾了解，在21世紀(jì)初成為世界刀具行業(yè)備受關(guān)注的涂層制備手段.IBAD是在氣相沉積過(guò)程中，使用高能離子轟擊涂層表面，進(jìn)一步改變涂層的成分和結(jié)構(gòu).IBAD工藝明顯優(yōu)點(diǎn)是可以在低溫環(huán)境下工作，形成的刀具涂層有著致密、結(jié)合強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn).李曙光[11]利用IBAD技術(shù)制備出TiN涂層，該涂層表面機(jī)械強(qiáng)度大大提高，有效地延長(zhǎng)了工件使用壽命.

激光技術(shù)早在1970年左右就開(kāi)始在材料表面處理方面得到應(yīng)用，經(jīng)過(guò)幾十年迅速發(fā)展，激光表面處理技術(shù)可以在工具表面制備出一定厚度的薄膜，薄膜可以顯著改善刀具表面的力學(xué)性能、物理性能以及耐磨、耐疲勞等性能.王華明等[12]研究表明，通過(guò)RPM基本原理將金屬材料快速凝固激光熔覆逐層沉積，可以制備出具有組織致密、表面均勻、性能優(yōu)異的薄膜，激光技術(shù)制備出來(lái)的刀具涂層具有無(wú)污染、智能化、精密化等特點(diǎn).

溶膠－凝膠法在硬質(zhì)合金刀具上制備的軟涂層使刀具能保持自身良好韌性和優(yōu)異強(qiáng)度.刀具軟涂層是在自身表面涂覆一層或者多層硬度不高但是具有極低的摩擦系數(shù)的材料.這一類(lèi)涂敷材料有MoS2、WS2、TaS2等[13].這些軟涂層材料不僅摩擦系數(shù)低、而且具備機(jī)械強(qiáng)度大、耐磨損、結(jié)合力好的優(yōu)點(diǎn).溶膠－凝膠法一般結(jié)合氣相沉積、火焰噴涂等工藝進(jìn)行.但是該方法生產(chǎn)成本高，工藝較為復(fù)雜，因此尋找一種成本低、工藝簡(jiǎn)單的方法是溶膠－凝膠法的一個(gè)重要發(fā)展方向.

2 刀具涂層的發(fā)展

21世紀(jì)初，硬質(zhì)合金刀具涂層主要朝著涂層原料多元、多層次、梯度化的主要方向發(fā)展.最早應(yīng)用在切削刀具同時(shí)也是第一個(gè)普遍應(yīng)用的涂層材料是TiN.TiN涂層的硬度能達(dá)到20 GPa[14]，它具有非常高的耐摩擦磨損性能，而且膨脹系數(shù)和刀具的基體部分最為相近，使刀具涂層和基體之間的結(jié)合力非常高，很適合用于多元涂層硬質(zhì)合金刀具涂層的底層膜材料.不過(guò)當(dāng)?shù)毒叩氖褂脺囟冗_(dá)到500℃的時(shí)候，TiN材料將很快速地氧化成TiO2從而破壞涂層[15].面對(duì)二元材料并不能滿(mǎn)足人們對(duì)刀具性能要求的情況下，很多企業(yè)以及研發(fā)機(jī)構(gòu)開(kāi)始關(guān)注多元涂層.

2.1 多元涂層

在TiN涂層的基礎(chǔ)上鍍?nèi)肫渌鼗蛘呋衔镆彩钱?dāng)下涂層發(fā)展的主流方向之一.1985年Knotek等[16]首次制備出TIAiN涂層，其明顯的耐高溫抗氧化的特點(diǎn)得到極大的關(guān)注.TiAlN薄膜極高的硬度和耐高溫性能隨著先進(jìn)處理技術(shù)的發(fā)展得到更加充分的應(yīng)用.現(xiàn)在制備的TiAl-Al2O3多元涂層維氏硬度也可以達(dá)到4000[17]，其性能也明顯比二元涂層性能高.TiCN既有TiC的韌性又有TiN的硬度，比一般的TiN刀具涂層耐用3倍左右.此后又制備出TiZrCN、TiAlCN等多元涂層.涂層多組分各自表現(xiàn)的性能以及組合在一起所表現(xiàn)的性能明顯超過(guò)單元涂層或者二元涂層，而且具備一些更加優(yōu)異的特點(diǎn).所以，刀具涂層的多元化是目前刀具發(fā)展的一個(gè)重要方向.

2.2 多層涂層

由于現(xiàn)代工業(yè)中機(jī)械加工行業(yè)的迅猛發(fā)展，尤其是精密設(shè)備制造行業(yè)應(yīng)用上苛刻環(huán)境要求已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足于單元涂層[18]，如圖4所示為常見(jiàn)的硬質(zhì)合金刀具.隨著多層次涂層制備與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，多層涂層開(kāi)始了代替簡(jiǎn)單的單元涂層的過(guò)程，圖5所示為刀具上的多層涂層.現(xiàn)代涂層技術(shù)在充分利用單元涂層優(yōu)異的結(jié)合性能的基礎(chǔ)之上，充分發(fā)揮了多元涂層的不同特點(diǎn).當(dāng)下提升刀具切削性能的重要技術(shù)之一就是利用多元涂層卓越的硬度、韌性和高溫抗氧化性.

圖4 硬質(zhì)合金刀具Fig.4 Cemented carbide tool

圖5 刀具上的多層涂層Fig.5 Multi-layer coating on cutting tools

山特維克公司開(kāi)發(fā)出在刀具上先鍍上一層TiCN，然后再在上面沉積出一層Al2O3的技術(shù)[11].這是因?yàn)閱螌油繉痈操|(zhì)合金刀具表面結(jié)合能力不高，容易使得刀具表面上的Al2O3涂層在機(jī)械加工的過(guò)程中脫落.所以為充分利用上Al2O3的抗高溫氧化性能，首先在刀具表面的最底層沉積出一層Cr膜，由于Cr膜和基體之間具有優(yōu)良而且牢固的結(jié)合，使之后生成的CrC和Cr膜之間緊密結(jié)合.而Al2O3涂層和Cr3C2之間緊密牢固的結(jié)合，使刀具表面形成一層不容易脫落、抗高溫氧化的多層涂層.目前最為典型的多層涂層是TiN-AlN涂層，這種涂層既有復(fù)合涂層的穩(wěn)定結(jié)合，又有納米材料的熱穩(wěn)定性.TiN和AlN兼顧高熔點(diǎn)、高硬度、抗“月牙洼”磨損性能好的特點(diǎn).更加重要的是，TiN和AlN與硬質(zhì)合金基體的結(jié)合性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他涂層.所以多層涂層更習(xí)慣于采用TiN和AlN作為多層涂層的底層.

國(guó)內(nèi)高校利用磁控濺射技術(shù)制備出多層CrAlTiN納米涂層.與其他多層次涂層較為不同的是，該多層涂層是有多層的CrAlTiN納米單層構(gòu)成.有學(xué)者指出[12]，制備出的24 nm的TiN-AlN多層涂層，它的顯微硬度能高達(dá)40 GPa以及1 000℃的抗氧化溫度[19].根據(jù)報(bào)道[20]，日本住友研發(fā)生產(chǎn)出一種沉積在鉆頭上的1 000層的TiN-AlN的超薄涂層，鉆頭大幅度提升的抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性表明這一類(lèi)納米多層涂層賦予了刀具極高的使用性能,其刀具使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TiCN涂層一類(lèi)刀具.這是因?yàn)榧{米層顆粒在疊加涂鍍過(guò)程中，納米顆粒進(jìn)入到之前一層縫隙當(dāng)中，打斷原來(lái)粗大晶粒生長(zhǎng)過(guò)程，使得一層層晶粒都變得十分細(xì)小.這樣多層次的相互交替結(jié)構(gòu)形成了層次間位錯(cuò)結(jié)構(gòu)，這些位錯(cuò)有效地提升刀具涂層的硬度和強(qiáng)度.

2.3 梯度涂層

涂層與基體、涂層與涂層之間的結(jié)合強(qiáng)度是影響刀具性能的一個(gè)重要因素，它們相互之間的匹配與結(jié)合決定硬質(zhì)合金刀具的質(zhì)量[21].不同涂層材料之間會(huì)有不同的物理屬性，導(dǎo)致工具在工作的過(guò)程中因?yàn)闇囟燃眲∽兓瘯?huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力而形成裂紋.裂紋更容易在硬度較大的涂層材料中產(chǎn)生，甚至在基體中延伸擴(kuò)張.如圖6、圖7，刀具的梯度涂層技術(shù)能有效地消除涂層與界面、涂層與基體之間的應(yīng)力集中，顯著地增強(qiáng)它們之間的結(jié)合強(qiáng)度，延長(zhǎng)硬質(zhì)合金刀具的使用壽命.

圖6 工作中的刀具Fig.6 Tool in operation

早在19世紀(jì)80年代，山特維克公司制備出硬質(zhì)合金梯度涂層球齒和GC215、GC425等牌號(hào)的梯度涂層硬質(zhì)合金刀片[22].肯納金屬公司也制備出KC792的梯度涂層硬質(zhì)合金刀具等.目前國(guó)內(nèi)梯度涂層技術(shù)還處于起步階段，株洲硬質(zhì)合金廠(chǎng)、自貢硬質(zhì)合金廠(chǎng)、中南大學(xué)以及江西理工大學(xué)[23]等企業(yè)科研院所也相繼開(kāi)始研究出一些梯度涂層刀具，但是仍然沒(méi)有辦法實(shí)現(xiàn)工廠(chǎng)大批量生產(chǎn).為滿(mǎn)足越來(lái)越迫切對(duì)梯度硬質(zhì)合金刀具涂層的需求以及追趕國(guó)際先進(jìn)工藝技術(shù)，我國(guó)刀具行業(yè)逐漸開(kāi)始重視梯度涂層工藝的研發(fā).

圖7 刀具的梯度涂層Fig.7 Gradient coating for cutting tools

3 新型刀具涂層的研究

隨著現(xiàn)代機(jī)械加工行業(yè)以及材料行業(yè)不斷更新發(fā)展，越來(lái)越多各類(lèi)加工難度大的金屬類(lèi)產(chǎn)品導(dǎo)致高速切削、干切削的難度增大，刀具類(lèi)產(chǎn)品正面臨嚴(yán)峻的形勢(shì).為應(yīng)對(duì)這類(lèi)日益增加的需求，國(guó)內(nèi)外對(duì)超硬涂層進(jìn)行了大量的研究.目前對(duì)刀具超硬涂層的研究主要有金剛石涂層、類(lèi)金剛石涂層、立方氮化硼涂層、氮化碳涂層等.

3.1 金剛石涂層

刀具金剛石涂層技術(shù)是這幾年刀具涂層研究的一個(gè)巨大突破.金剛石涂層技術(shù)是通過(guò)低壓CVD在硬質(zhì)合金基體上形成一層金剛石薄膜.國(guó)外研究者使用化學(xué)氣相沉積手段制備出TiN-金剛石和TiC-金剛石等刀具涂層，如圖8所示為金剛石涂層的表面形貌.19世紀(jì)60年代，我國(guó)也研發(fā)制備出聚晶金剛石刀具，1982年化學(xué)氣相沉積金剛石技術(shù)的出現(xiàn)讓刀具行業(yè)開(kāi)始向金剛石刀具涂層這一方向發(fā)展.金剛石涂層刀具適合用于切削加工高硅鋁合金、金屬基復(fù)合材料、工程陶瓷、纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料等難加工材料，其可以在刀具基體上直接沉積制造復(fù)雜形狀金剛石涂層的刀具，如圖9所示為金剛石涂層刀具的截面形貌[24].金剛石涂層刀具不適合用于切削鑄鐵、鋼等黑色金屬，是因?yàn)榻饎偸翘蓟Y(jié)構(gòu)，其中C原子容易在高溫過(guò)程中發(fā)生向黑色金屬的擴(kuò)散過(guò)程而導(dǎo)致刀具失效.因此在金剛石涂層刀具使用過(guò)程中要特別注意刀具的冷卻，以提高使用壽命.

圖8 金剛石涂層表面形貌Fig.8 Surface morphology of diamond coating

圖9 刀具涂層界面形貌Fig.9 Interface morphology of tool coating

目前相關(guān)技術(shù)都是在刀具表面鍍上一層厚度小于20 μm的金剛石涂層,這種技術(shù)流程簡(jiǎn)單、干凈衛(wèi)生而且成本相對(duì)較低.關(guān)鍵可以在任何復(fù)雜形狀的刀具上沉積出想要的涂層.這是當(dāng)下刀具涂層市場(chǎng)的主要發(fā)展方向.目前刀具金剛石涂層制備技術(shù)主要是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法、熱絲化學(xué)氣相沉積法、微波等離子體化學(xué)氣相沉積法等方法，這些方法都能有效制備出良好的金剛石薄膜.近些年來(lái)，美國(guó) 、日本、瑞典等國(guó)家都已經(jīng)陸續(xù)研發(fā)出CVD金剛石涂層的絲錐、鉆頭、絞刀、立銑刀等各類(lèi)刀具.這些刀具使用壽命高達(dá)普通硬質(zhì)合金刀具的100倍[25].但是刀具的金剛石涂層由于金剛石顆粒的形核粒度較大，而使得涂層內(nèi)出現(xiàn)空隙，這些空隙減弱涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，這仍然是目前急需解決的問(wèn)題.

3.2 類(lèi)金剛石涂層

類(lèi)金剛石薄膜也被稱(chēng)為DLC薄膜，它是一種性質(zhì)相當(dāng)于金剛石，兼具硬度高、摩擦系數(shù)低、導(dǎo)熱性好、電阻率高以及優(yōu)異的光學(xué)性能等特點(diǎn).如圖10所示為DLC涂層刀具邊緣.在刀具使用方面，特別是在有色金屬加工過(guò)程中表現(xiàn)具有較好的抗黏性能，如圖11所示為DLC涂層截面形貌.類(lèi)金剛石涂層目前廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體、發(fā)光元件、電池介質(zhì)等特點(diǎn).類(lèi)金剛石涂層的C原子有SP1、SP2、SP3三種雜化鍵組成，所以不同制備工藝會(huì)有不同特點(diǎn)[26].DLC薄膜中碳的存在形式包括有金剛石、石德、富勒烯、碳納米管和石墨烯等.

圖10 DLC涂層刀具邊緣Fig.10 Edge of DLC tool

圖11 DLC涂層截面形貌Fig.11 Section morphology of DLC coating

DLC薄膜不僅可以用CVD、PVD技術(shù)制備，還可以利用電化學(xué)沉積來(lái)生成.其中PVD可以采取離子束沉寂、濺射沉積、陰極弧沉積制備，這幾種方法可以較快的速度制備出高質(zhì)量的DLC薄膜，但是對(duì)于大面積工件比較難以操作，而且有設(shè)備比較復(fù)雜、成本花費(fèi)較高的特點(diǎn).CVD可以采取直接光化學(xué)氣相沉積、等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積.液相沉積可以用電化學(xué)沉積.CVD和液相沉積可以在常溫下進(jìn)行，而且容易控制電極反應(yīng)方向和環(huán)境污染少.CVD和液相沉積制備的涂層質(zhì)量還有待提高，它們的涂層生長(zhǎng)機(jī)理還需要進(jìn)一步分析研究.

3.3 立方氮化硼涂層

立方氮化硼（c-BN）涂層是近年來(lái)新研究的一類(lèi)超硬涂層.c-BN具有高硬度，高耐磨性和良好的熱穩(wěn)定性，適合淬火鋼系列零件的加工.氮化硼有3種結(jié)構(gòu)，一個(gè)是六方氮化硼（h-BN），另外是菱方氮化硼（r-BN）密排六方氮化硼（w-BN）和立方氮化硼[27].在這3個(gè)中，如圖12所示為立方氮化硼（CBN）具備較高硬度以及一些和金剛石類(lèi)似的優(yōu)點(diǎn)，比如超高的硬度、高耐磨性和較低的摩擦系數(shù).不僅如此，立方氮化硼和氧氣發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)之后在刀具表面形成一層致密的氧化薄膜，產(chǎn)生優(yōu)良的抗氧化性能.20世紀(jì)50年代，美國(guó)通用電氣（GE）公司首先在高溫高壓下合成立方氮化硼，其硬度僅次于金剛石而遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它材料，圖13所示為刀具上的c-BN涂層截面形貌[28].

圖12 c-BN結(jié)構(gòu)Fig.12 c-BN structure

圖13 刀具上的c-BN涂層截面形貌Fig.13 Section morphology of c-BN coating on cutting tool

目前一般采用CVD工藝制備刀具c-BN涂層，在這個(gè)工藝中，主要影響因素是沉積溫度、沉積壓力、氣體流速以及先驅(qū)體和沉積基底的種類(lèi)等.氮化硼中B元素的主要來(lái)源有鹵化硼、硼烷等，而其中氮主要來(lái)自氨氣[28].在制備涂層過(guò)程中，最主要問(wèn)題還是兩種化合物的反應(yīng)比例以及反應(yīng)速度，這就對(duì)反應(yīng)設(shè)備提出嚴(yán)格的要求.目前來(lái)說(shuō)，刀具的氮化硼合成工藝難度指數(shù)還比較大，而且制備成本高，一般還只存在實(shí)驗(yàn)室研究.所以在化學(xué)氣相沉積c-BN涂層廣泛應(yīng)用之前，還必須處理好設(shè)備成本、簡(jiǎn)約工藝的問(wèn)題.

3.4 氮化碳涂層

在金剛石涂層和氮化硼涂層出現(xiàn)之后，近年來(lái)又出現(xiàn)一種氮化碳（C3N4）涂層.美國(guó)物理學(xué)家A.M.Liu和M.L.Cohen[29]用分子工程理論，根據(jù)β-Si3N4的晶體結(jié)構(gòu)，用C替換Si，在局域態(tài)密度近似下采用第一性贗勢(shì)能帶法從理論上預(yù)言，β-C3N4(即氮化碳)這種硬度可以和金剛石相媲美，而在自然界中尚未發(fā)現(xiàn)新的共價(jià)化合物，設(shè)計(jì)出新型超硬無(wú)機(jī)化合物氮化碳.武漢大學(xué)[30]用dc反應(yīng)磁控濺射在刀具上制備出C3N4涂層，涂層性質(zhì)與金剛石涂層性質(zhì)相似甚至優(yōu)于金剛石.C3N4涂層的熱穩(wěn)定性好，也可以對(duì)金屬進(jìn)行切削加工，有著非?？捎^的應(yīng)用前景.

目前制備C3N4涂層的制備方法主要是物理氣相沉積法，其中包括反應(yīng)濺射法、離子束輔助沉積(IBAD)、離子注入、脈沖激光沉積，化學(xué)沉積法，其中包括有熱絲 CVD（HFCVD）及微波等離子體 CVD法(MPCVD)等[31].但是濺射方法所制備的氮化碳是沒(méi)有固定形狀，而且需要施加一定負(fù)偏壓.離子束輔助沉積是用Ar+濺射石墨和所產(chǎn)生的N+進(jìn)行交互作用而產(chǎn)生所需要的涂層相.離子注入石墨靶材被Ar+轟擊后在基底上獲得一層C涂層，之后將高能N+注入其中，辛火平等[32]利用此方法制備出了CNx涂層.化學(xué)氣相沉積法(CVD)基本原理是采用放電或高溫等手段分解反應(yīng)氣體，并產(chǎn)生N原子、C原子或C原子基團(tuán)等反應(yīng)粒子，最終在基底上制備生長(zhǎng)出氮化碳膜.

4 結(jié) 論

作為切削使用頻率極高的硬質(zhì)合金刀具，其耐用性永遠(yuǎn)是最為重要的問(wèn)題，而刀具涂層材料恰能大幅度提高其使用壽命,解決硬質(zhì)合金刀具涂層硬度和強(qiáng)度的協(xié)調(diào)問(wèn)題.但是面對(duì)日新月異的材料發(fā)展，對(duì)刀具的性能有了更高的要求.隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，更多的發(fā)展方向和新技術(shù)將會(huì)給刀具涂層帶來(lái)一次巨大的革命.如今，在切削加工中，材料刀具得到越來(lái)越廣泛認(rèn)可和應(yīng)用，市場(chǎng)需求巨大.

1）巨大的需求促使硬質(zhì)合金刀具涂層朝著多元化、多層次化、梯度化、超硬化方向發(fā)展.

2）不僅如此，低摩擦系數(shù)、自帶潤(rùn)滑特性以及強(qiáng)韌性協(xié)調(diào)的刀具硬質(zhì)涂層也是未來(lái)的一個(gè)相當(dāng)重要的研究課題.

3）硬質(zhì)合金刀具涂層處理工藝靈活化也是涂層發(fā)展的一個(gè)明顯趨勢(shì)，其中包括涂層刀具的深冷處理、涂層刀具的磁化處理、涂層刀具熱處理等.