近30餘年來，刀具塗層技術迅速發展，塗層刀具得到了廣泛應用。1969年德國克虜伯（Krupp）公司和瑞典山特維克（Sandvik）公司研發成功了化學氣相沉積（CVD）塗層技術，並向市場推出了CVDTiC塗層硬質合金刀片產品。 20世紀70年代初，美國本夏（R.Runshan）和拉格胡南（A.Raghuran）研發了物理氣相沉積（PVD）工藝，並於1981年將 PVDTiN高速鋼刀具產品推向市場。當時CVD塗層工藝溫度約1000℃，主要用於硬質合金刀具（刀片）的表面塗層；PVD塗層工藝溫度為500℃和 500℃以下，主要用於高速鋼刀具的表面塗層。
後來，CVD和PVD塗層技術不斷迅速發展，在塗層材料、塗層設備和工藝等方面都有了很大進步，而且發展了多層材料的塗覆技術，使塗層刀具（刀片）的使用性能有了很大的提高。 PVD塗層技術過去主要用於高速鋼刀具，而近年來隨著PVD塗層技術飛躍發展，也成功用於硬質合金刀具（刀片），佔領了硬質合金塗層刀具（刀片）的一半陣地。現在，塗層高速鋼刀具和塗層硬質合金刀具（刀片）廣泛應用，已佔全部刀具使用總量的50%以上。
塗層刀具的優越性
在韌性較好的刀具（刀片）基體上進行表面塗層，塗覆具有高硬度、高耐磨性、耐高溫材料的薄層（如TiN、TiC等），使刀具（刀片）具有全面、良好的綜合性能。未塗層高速鋼的硬度僅為62~68HRC（760~960HV），硬質合金的硬度僅為89~93.5HRA（1300~1850HV）；而塗層后的表面硬度可達2000~3000HV以上。
①由於表面塗層材料具有很高的硬度和耐磨性，且耐高溫。故與未塗層的刀具（刀片）相比，塗層刀具允許採用較高的切削速度，從而提高了切削加工效率；或能在相同的切削速度下，提高刀具壽命。
②由於塗層材料與被加工材料之間的摩擦係數較小，故塗層刀具（刀片）的切削力小於未塗層刀具（刀片）。
③用塗層刀具（刀片）加工，零件的已加工表面質量較好。
④由於塗層刀具（刀片）的綜合性能良好，故塗層硬質合金刀片有較好的通用性，一種塗層硬質合金牌號的刀片具有較寬的使用範圍。
刀具塗層技術的發展和進步
筆者多次參觀了國際機床工具展覽會，收集到很多資料，並聽取了各大工具公司的技術報告，從而了解到刀具產品表面塗層技術的發展和進步。
CVD塗層技術的進展
過去，硬質合金刀具表面塗層採用高溫化學氣相沉積（HTCVD）工藝。在常壓或負壓的沉積系統中，將純凈的H2、CH4、N2、TiCl4、AlCl3、CO2等氣體根據沉積物的成分，按一定配比均勻混和，依次塗到具備一定溫度（一般為1000~1050℃）的硬質合金刀片表面，即在刀片表面沉積TiC、TiN、TiCN、Al2O3或者它們的複合塗層。直到現在，HTCVD仍是使用最多的工藝方法，除HTCVD外，還有等離子體化學氣相沉積（PCVD）工藝，它是在硬質合金刀具（刀片）表面塗層的另一種方法，因這種塗層工藝溫度較低（700~800℃），故刀片的抗彎強度降低。因為TiC與基體材料的線膨脹係數最接近，通常用TiC 薄層先塗在基體表面上，外面再塗TiN、Al2O3，如TiC/TiN、TiC/Al2O3、TiC/TiCN/TiN等。
後來，發展了各種不同組合的多層塗層。筆者在多次展覽會上調查和統計了瑞典、德國、美國、日本、韓國、以色列和中國各公司的CVD塗層硬質合金刀片產品，塗層材料有以下組合：TiCN/Al2O3、TiCN/TiC/TiN、TiCN/TiC/Al2O3、TiCN/Al2O3/TiN、TiCN/TiC/Al2O3/TiN、TiCN/Al2O3/TiCN、 TiN,TiC/TiCN/TiN、TiN/TiCN/TiN等。可以看出，近年多用TiCN或TiN作底層，這是因為基體硬質合金有了改進，例如採用了梯度結構，才有可能用TiCN或TiN墊底。此外，TiN塗層不宜單獨使用，因為與硬質合金相比，TiN的硬度提高不多，TiN必須與TiC、TiCN、 Al2O3等組合使用。
PVD塗層技術的進展
早期，PVD塗層均採用「真空蒸鍍法」，膜層往往不均勻，與基體的結合不夠牢固，后發展了「真空磁控濺射法」和「真空等離子鍍工藝」，效果很好。現在刀具表面塗層主要用后兩種方法。
早年，PVD塗層只用於高速鋼刀具，塗層材料幾乎只用TiN一種。後來，改進了塗層工藝，發展了多種塗層材料和多層塗層，在硬質合金刀具上也得到了大量的應用。塗層效果比以往大有進步。TiN塗層材料仍在使用，新興的塗層材料是TiAlN和AlTiN，其使用效果優於TiN。
歐洲的PVD塗層技術水平最高，領先於其他國家和地區。知名的廠商有歐瑞康巴爾查斯（OerlkonBalzers）公司、德國PVT等離子真空技術公司和丹麥尤尼莫克（Unimerco）公司等。他們的PVD塗層設備和工藝先進，塗層材料品種多，塗層刀具和其他產品使用性能好。
國外一些知名的高速鋼和硬質合金工具廠，都有塗層刀具（刀片）產品，但塗層設備和工藝多購自塗層技術的專業公司，或與之合作，而不是自行研製。據悉，瑞典山特維克公司和以色列伊斯卡公司的PVD塗層設備都是從歐瑞康巴爾查斯公司購進的。中國也應當這樣做，這是一條既好又快的道路。例如，中國哈爾濱第一工具廠和德國PVT公司合作，成立了哈一工普威特鍍膜合資股份公司。歐瑞康巴爾查斯公司在全球設有77個塗層中心，在中國蘇州、天津和漢江各設有一個中心，中國鄰近城市和地區的工具廠家，其塗層產品多在上述中心進行塗層。湖南株洲硬質合金廠和四川自貢長城硬質合金廠的塗層設備都是從國外引進的。
CVD塗層新技術在超硬材料塗層方面的應用
利用「熱絲CVD法」、「等離子體噴射CVD法」、「火焰燃燒法」等工藝能在硬質合金或高速鋼刀具表面沉積金剛石薄膜（10μm）。CVD金剛石膜的力學、物理性能介於天然金剛石和熱壓聚晶PCD金剛石之間，能夠有效地加工有色金屬。
如增加沉積時間，可在基體或襯底（一般用矽片）上沉積出厚度大於0.5mm的厚膜。將厚膜從基體上剝離，並切割成一定形狀的小塊，再將小塊釺焊在基體刀片（一般為硬質合金刀具）上使用。CVD厚膜金剛石刀具應用範圍大於薄膜塗層刀具。在CIMT2007上，很多國內外刀具公司都有CVD薄膜金剛石塗層刀具產品，但只有少數廠家有厚膜產品。北京東方天地超硬材料工具公司能生產金剛石厚膜刀具產品，並且已有多年的經驗。厚膜刀具應用範圍較廣，能加工各種有色金屬、非金屬硬材料及顆粒增強的複合材料等。
PVD塗層新技術在超硬材料塗層方面的應用
武漢大學物理系用直流反應磁控濺射法在刀具表面沉積出氮化碳（CxNy）超硬塗層薄膜，厚度只有幾個微米，硬度可達40~50GPa。CxNy塗層刀具能切削黑色和有色金屬。
實驗數據
筆者對塗層高速鋼和硬質合金刀具（刀片）的切削性能進行了長期的研究，進行了很多科學實驗。茲介紹部分實驗數據如下：
①在相同的切削條件下，塗層刀具刀片的使用壽命比未塗層刀具（刀片）提高3~5倍。在相同的切削條件下，相同刀具壽命時，塗層刀具的切削速度比未塗層刀具提高20~30%。
②在相同的切削條件下，塗層刀具（刀片）的切削力小於未塗層者。筆者用塗覆TiC硬質合金刀片車削鋼材與未塗層刀片對比，主切削力Fc可減小3%~4 %，TiN或TiC/TiN塗層刀片的Fc約可減小6%，進給力Ff與切深力Fp的減小尤為顯著。Al2O3塗層刀片與切削力的減小效果與TiN塗層刀片接近。
③筆者曾用CVD塗層金剛石厚膜刀具，加工過硅鋁合金、各種硬鋁、鉛黃銅、無氧銅、碘化鈦以及纖維增強和顆粒增強的複合材料等，均取得較好效果。但用作超精密切削的刀具，其效果不如天然金剛石刀具。
④筆者曾用CxNy塗層高速鋼鑽頭在高強度鋼上鑽孔，與未塗層鑽頭相比，塗層鑽頭的使用壽命提高7~9倍。在其他高速鋼刀具上塗覆CxNy，亦有顯著效果。又曾在硬質合金刀片上塗覆CxNy，用以車削鋼料，效果尚不夠理想，其使用壽命不超過普通TiC塗層硬質合金刀片。
中國的刀具塗層技術與工業發達國家相比尚有很大差距，塗層刀具的數量也差得很遠，大致只佔全部刀具的20%。其中數控機床和加工中心上使用得多一些，在普通的非數控機床上則少得可憐，原因是認識問題和價格等因素。我們應該努力提高刀具塗層技術和應用技術的水平，大力推廣應用塗層刀具，促進切削加工和機械製造水平的提高。
