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1、前言
近年来，航空、航天、船舶和汽车等工业领域的迅猛发展，对工程材料的性能与机械加工提出了越来越高的要求。如何在尽量减少污染的前提下有效提高机械加工零部件的加工精度和加工效率成为现代机械加工领域的研究难点与热点。为了解决这个问题，一方面，工程师不断的升级各种数控机床的性能，而另一方面，实际加工应用表明，切削刀具的更新换代，不断促进着新的加工方式成熟，不断促使现有加工精度的提高，所以，通过有效提高机床刀具的各方面性能从而提高加工质量和加工效率也成为解决这一问题的重要组成部分，而刀具涂层技术则是提高刀具综合性能的关键技术之一。
2、涂层刀具概述
2.1常用的涂层材料及性质
根据化学键的特征， 可将涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。金属键型涂层材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好， 具有良好的综合性能， 是最普通的涂层材料。共价键型涂层材料（如B4C、SiC、BN、金刚石等）硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高，在这些涂层材料中用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。
2.2常用的刀具涂层方法
目前，常用的刀具涂层方法有化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（ PVD）、等离子体化学气相沉积（PCVD）、盐浴浸镀法、等离子喷涂及化学涂敷法等，其中以CVD 和PVD 应用最为广泛。
3、涂层刀具在中国专利申请统计分析
3.1全球在华申请按照申请的年份进行的统计分析
从图1可以看出，2000年以前，涂层刀具在中国的专利申请量较少，而在2003年-2011年之间，专利申请量快速增长，体现了涂层刀具技术的逐渐成熟。
图1全球在华申请量变化
3.2各国在华申请量统计分析
图2所示为涂层刀具专利申请国家分布情况。从图2中可以看出，涂层刀具的在中国的专利申请主要集中在日本、瑞典和中国，美国占8%，其他国家只占5%。申请量最大的是日本，这表明日本对涂层刀具的研究比较成熟，发展已经比较完备。另外，瑞典和中国的专利申请量也比较大，瑞典的专利申请的申请人主要是山特维克公司和山高刀具，中国的专利申请的主要申请人是株洲钻石切削刀具股份有限公司。其次还应注意的是美国，其几乎所有专利申请量的申请人为钴碳化钨硬质合金公司。
图3反映的是以2000年以前为一个单位，从2000年起两年为一个单位，对瑞典、日本、美国、中国在华的专利申请量进行的统计分析。从图中可以看出，2000年以前，瑞典和美国在中国的专利申请较多，而在2002-2003年，日本在中国的专利申请量迅猛增长，并远远超过瑞典和美国，2004年-2009年之间，瑞典和日本的申请量一致处于领先水平，2010年之后，瑞典的申请量急速减少，日本的申请量再次远远超过瑞典。而中国的申请量在2010年之前一直处于较少的状态，在2010年后涂层刀具的专利申请有崛起之势，在2012年-2013年甚至超过日本和瑞典。这表明中国在涂层刀具技术方面的研究逐渐加强。
图3各国申请量变化
3.3在华重要申请人专利统计
通过统计涂层刀具在华申请，发现大部分专利申请的申请人为公司，可见涂层刀具在应用中得到了不断的发展。从图4中可以看出，涂层刀具在华申请主要来源于瑞典的山特维克公司、山高刀具，和日本的住友电工硬质合金株式会社，京瓷株式会社，这些公司对涂层刀具的研究和应用水平较高，我国关于涂层刀具的专利申请主要集中在株洲钻石切削刀具股份有限公司，因此，我果对涂层刀具还有待进一步发展。美国的申请主要集中在钴碳化钨硬质合金公司。
图4重要申请人在华申请
4、涂层刀具的专利技术发展路线
图5所示为涂层刀具专利技术发展路线，其中反映了涂层材料的专利技术发展路线，以及涂层成形方法的专利技术发展路线。
从图中可以看出， 1985年及以前的出现了关于碳化物涂层和氮化物涂层的专利申请，发展到1993年，出现了氧化物涂层材料，主要涉及氧化铝涂层，刀具寿命得到了很大的提高。1995年在碳化物涂层和氮化物涂层的技术上，出现了新型的碳氮化物涂层，1997年出现了另一种新的涂层，金刚石涂层，主要用于高速精密加工、数控加工、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料加工刀具及高耐磨材料和高级复合材料的加工刀具领域，之后于2003年出现了硼氮化物，硼氮碳化物、氧氮化物和碳氮氧化物涂层，在2005年出现了纳米强化涂层，2008年TiAlCN涂层。而涂层成形方法由1992年及以前出现的CVD沉积法和PVD沉积法，到2002年出现了关于等离子体增强脉冲激光沉积法或热丝辅助射频等离子体CVD方法的专利申请，之后于2009年有采用多弧离子镀膜法成形涂层的专利申请，2011年、2012年、2013年又分别出现了中频磁控溅射沉积法，等离子增强中频反应磁控溅射技术、非平衡闭合场磁控溅射离子镀法，使得涂层的成形方法更加广泛，涂层更加适应于刀具性能要求。
5、涂层刀具的关键技术
正确选用涂层是合理使用涂层刀具和充分发挥涂层功能的前提。涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。刀具涂层材料中用的最多是碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、金刚石及复合涂层，图6对这6个技术领域专利申请数量进行了统计分析，以下以在华申请的典型专利为例，简单介绍这些涂层材料的具体内容。
图6各种涂层专利申请量统计
5.1氮化物涂层刀具
CN101318229A（发明名称：带涂层硬质合金切削工具刀片，申请人：山特维克）公开了一种如下的技术方案：一种硬质合金切削工具刀片，具有不同形状的基底和耐磨涂层，所述基底除了WC之外还包括Co，和Cr，一定量的Ti和Ta，耐磨涂层包括均匀的AlxTi1-xN层，从而在不牺牲韧性和刀刃可靠性的情况下具有改进的耐磨性。 5.2碳化物涂层刀具
CN101743083A（发明名称：具有等离子体沉积的碳涂层的切削工具，申请人：纳峰科技私人有限公司）公开了如下技术方案：切削工具，其包括本体、在所述本体的至少一部分上的切削刃以及在所述切削刃上提供的、基本上不含大粒子的等离子体沉积的碳涂层。
5.3碳氮化物涂层刀具
CN101941085A（发明名称：带涂层的切削刀具刀片申请人：山特维克公司）公开了一种带涂层的切削刀具刀片，该带涂层的切削刀具刀片包括涂层和基体，其中基体至少部分地涂覆有4-10μm厚的涂层，该涂层包括两个相邻的Ti（C，N）层，其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，内层的残余应力状态和外层的残余应力状态之间的差Δ为1000 MPa≤Δ≤2500MPa
5.4氧化物涂层刀具
CN103924211A（发明名称：CVD涂覆的多晶c-BN切削刀具，申请人：钴碳化钨硬质合金公司）公开CVD涂覆的多晶c-BN切削刀具，包括一个PcBN基底以及一个粘附到该基底上的抛光的涂层，该抛光的涂层包括通过化学气相沉积而沉积的一个或多个Al2O3层，其中该涂层在该切削刀具的用于接触工件的一个区域中具有小于约600nm的表面粗糙度（Ra）。
5.5金刚石涂层刀具
CN102257176A（发明名称：金刚石涂层工具，申请人：住友电气工业株式会社、住友电工硬质合金株式会社），公开了以下的技术方案：金刚石涂层工具（10），在该金刚石涂层工具（10）中基体材料（1）与金刚石层（3）之间的分界处不容易出现剥离。金刚石涂层工具（10）包括：基体（1）；以及金刚石层（3），其涂敷在所述基体（1）的表面上，其特征在于：基体（1）的表面的算术平均粗糙度（Ra）为0.1μm-10μm（包括端点）而且粗糙度轮廓单元的平均长度（Rsm）为1μm-100μm（包括端点），并且金刚石层（3）具有从与所述基体（1）邻接的部分沿晶体生长方向延伸的多个腔（2）
5.6复合涂层刀具
CN101879794A（发明名称：CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法，申请人：武汉嘉树科技有限公司）公开了一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，或由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a- Si3N4纳米晶复合涂层。将上述粘结层沉积在刀具基体上，再沉积支撑层和主耐磨层，即得到沉积有该涂层的刀具。本发明所得CrTiAlSiN纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强的优点，沉积有该涂层的刀具具有高的表面硬度、较强的膜-基附着力、良好的耐磨性能和耐高温性能。
6、结语
应用刀具涂层技术较好地解决了刀具韧性和强度之间的矛盾， 使刀具的切削速度和耐用度大幅提高。但仍然存在涂层易剥落，工艺复杂昂贵等缺点。涂层刀具未来的发展方向集中在新型涂层材料和结构工艺的开拓创新，特别是复合纳米涂层以及软涂层材料的开发。
近年来，航空、航天、船舶和汽车等工业领域的迅猛发展，对工程材料的性能与机械加工提出了越来越高的要求。如何在尽量减少污染的前提下有效提高机械加工零部件的加工精度和加工效率成为现代机械加工领域的研究难点与热点。为了解决这个问题，一方面，工程师不断的升级各种数控机床的性能，而另一方面，实际加工应用表明，切削刀具的更新换代，不断促进着新的加工方式成熟，不断促使现有加工精度的提高，所以，通过有效提高机床刀具的各方面性能从而提高加工质量和加工效率也成为解决这一问题的重要组成部分，而刀具涂层技术则是提高刀具综合性能的关键技术之一。
2、涂层刀具概述
2.1常用的涂层材料及性质
根据化学键的特征， 可将涂层材料分成金属键型、共价键型和离子键型。金属键型涂层材料（如TiB2、TiC、TiN、VC、WC等）熔点高、脆性低、界面结合强度高、交互作用趋势强、多层匹配性好， 具有良好的综合性能， 是最普通的涂层材料。共价键型涂层材料（如B4C、SiC、BN、金刚石等）硬度高、热胀系数低、与基体界面结合强度差、稳定性和多层匹配性差。而离子键型材料化学稳定性好、脆性大、热胀系数大、熔点较低、硬度不太高，在这些涂层材料中用的最多的是TiC、TiN、Al2O3、金刚石以及复合涂层。
2.2常用的刀具涂层方法
目前，常用的刀具涂层方法有化学气相沉积法（CVD）、物理气相沉积法（ PVD）、等离子体化学气相沉积（PCVD）、盐浴浸镀法、等离子喷涂及化学涂敷法等，其中以CVD 和PVD 应用最为广泛。
3、涂层刀具在中国专利申请统计分析
3.1全球在华申请按照申请的年份进行的统计分析
从图1可以看出，2000年以前，涂层刀具在中国的专利申请量较少，而在2003年-2011年之间，专利申请量快速增长，体现了涂层刀具技术的逐渐成熟。
图1全球在华申请量变化
3.2各国在华申请量统计分析
图2所示为涂层刀具专利申请国家分布情况。从图2中可以看出，涂层刀具的在中国的专利申请主要集中在日本、瑞典和中国，美国占8%，其他国家只占5%。申请量最大的是日本，这表明日本对涂层刀具的研究比较成熟，发展已经比较完备。另外，瑞典和中国的专利申请量也比较大，瑞典的专利申请的申请人主要是山特维克公司和山高刀具，中国的专利申请的主要申请人是株洲钻石切削刀具股份有限公司。其次还应注意的是美国，其几乎所有专利申请量的申请人为钴碳化钨硬质合金公司。
图3反映的是以2000年以前为一个单位，从2000年起两年为一个单位，对瑞典、日本、美国、中国在华的专利申请量进行的统计分析。从图中可以看出，2000年以前，瑞典和美国在中国的专利申请较多，而在2002-2003年，日本在中国的专利申请量迅猛增长，并远远超过瑞典和美国，2004年-2009年之间，瑞典和日本的申请量一致处于领先水平，2010年之后，瑞典的申请量急速减少，日本的申请量再次远远超过瑞典。而中国的申请量在2010年之前一直处于较少的状态，在2010年后涂层刀具的专利申请有崛起之势，在2012年-2013年甚至超过日本和瑞典。这表明中国在涂层刀具技术方面的研究逐渐加强。
图3各国申请量变化
3.3在华重要申请人专利统计
通过统计涂层刀具在华申请，发现大部分专利申请的申请人为公司，可见涂层刀具在应用中得到了不断的发展。从图4中可以看出，涂层刀具在华申请主要来源于瑞典的山特维克公司、山高刀具，和日本的住友电工硬质合金株式会社，京瓷株式会社，这些公司对涂层刀具的研究和应用水平较高，我国关于涂层刀具的专利申请主要集中在株洲钻石切削刀具股份有限公司，因此，我果对涂层刀具还有待进一步发展。美国的申请主要集中在钴碳化钨硬质合金公司。
图4重要申请人在华申请
4、涂层刀具的专利技术发展路线
图5所示为涂层刀具专利技术发展路线，其中反映了涂层材料的专利技术发展路线，以及涂层成形方法的专利技术发展路线。
从图中可以看出， 1985年及以前的出现了关于碳化物涂层和氮化物涂层的专利申请，发展到1993年，出现了氧化物涂层材料，主要涉及氧化铝涂层，刀具寿命得到了很大的提高。1995年在碳化物涂层和氮化物涂层的技术上，出现了新型的碳氮化物涂层，1997年出现了另一种新的涂层，金刚石涂层，主要用于高速精密加工、数控加工、高硅铝合金及其它韧性有色金属材料加工刀具及高耐磨材料和高级复合材料的加工刀具领域，之后于2003年出现了硼氮化物，硼氮碳化物、氧氮化物和碳氮氧化物涂层，在2005年出现了纳米强化涂层，2008年TiAlCN涂层。而涂层成形方法由1992年及以前出现的CVD沉积法和PVD沉积法，到2002年出现了关于等离子体增强脉冲激光沉积法或热丝辅助射频等离子体CVD方法的专利申请，之后于2009年有采用多弧离子镀膜法成形涂层的专利申请，2011年、2012年、2013年又分别出现了中频磁控溅射沉积法，等离子增强中频反应磁控溅射技术、非平衡闭合场磁控溅射离子镀法，使得涂层的成形方法更加广泛，涂层更加适应于刀具性能要求。
5、涂层刀具的关键技术
正确选用涂层是合理使用涂层刀具和充分发挥涂层功能的前提。涂层材料有碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、硼化物、硅化物、金刚石及复合涂层八大类数十个品种。刀具涂层材料中用的最多是碳化物、氮化物、碳氮化物、氧化物、金刚石及复合涂层，图6对这6个技术领域专利申请数量进行了统计分析，以下以在华申请的典型专利为例，简单介绍这些涂层材料的具体内容。
图6各种涂层专利申请量统计
5.1氮化物涂层刀具
CN101318229A（发明名称：带涂层硬质合金切削工具刀片，申请人：山特维克）公开了一种如下的技术方案：一种硬质合金切削工具刀片，具有不同形状的基底和耐磨涂层，所述基底除了WC之外还包括Co，和Cr，一定量的Ti和Ta，耐磨涂层包括均匀的AlxTi1-xN层，从而在不牺牲韧性和刀刃可靠性的情况下具有改进的耐磨性。 5.2碳化物涂层刀具
CN101743083A（发明名称：具有等离子体沉积的碳涂层的切削工具，申请人：纳峰科技私人有限公司）公开了如下技术方案：切削工具，其包括本体、在所述本体的至少一部分上的切削刃以及在所述切削刃上提供的、基本上不含大粒子的等离子体沉积的碳涂层。
5.3碳氮化物涂层刀具
CN101941085A（发明名称：带涂层的切削刀具刀片申请人：山特维克公司）公开了一种带涂层的切削刀具刀片，该带涂层的切削刀具刀片包括涂层和基体，其中基体至少部分地涂覆有4-10μm厚的涂层，该涂层包括两个相邻的Ti（C，N）层，其中，在切削刃的至少一部分上并且/或者在前刀面的至少一部分上，内层的残余应力状态和外层的残余应力状态之间的差Δ为1000 MPa≤Δ≤2500MPa
5.4氧化物涂层刀具
CN103924211A（发明名称：CVD涂覆的多晶c-BN切削刀具，申请人：钴碳化钨硬质合金公司）公开CVD涂覆的多晶c-BN切削刀具，包括一个PcBN基底以及一个粘附到该基底上的抛光的涂层，该抛光的涂层包括通过化学气相沉积而沉积的一个或多个Al2O3层，其中该涂层在该切削刀具的用于接触工件的一个区域中具有小于约600nm的表面粗糙度（Ra）。
5.5金刚石涂层刀具
CN102257176A（发明名称：金刚石涂层工具，申请人：住友电气工业株式会社、住友电工硬质合金株式会社），公开了以下的技术方案：金刚石涂层工具（10），在该金刚石涂层工具（10）中基体材料（1）与金刚石层（3）之间的分界处不容易出现剥离。金刚石涂层工具（10）包括：基体（1）；以及金刚石层（3），其涂敷在所述基体（1）的表面上，其特征在于：基体（1）的表面的算术平均粗糙度（Ra）为0.1μm-10μm（包括端点）而且粗糙度轮廓单元的平均长度（Rsm）为1μm-100μm（包括端点），并且金刚石层（3）具有从与所述基体（1）邻接的部分沿晶体生长方向延伸的多个腔（2）
5.6复合涂层刀具
CN101879794A（发明名称：CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法，申请人：武汉嘉树科技有限公司）公开了一种CrTiAlSiN纳米复合涂层、沉积有该涂层的刀具及其制备方法。该复合涂层包括粘结层、支撑层和主耐磨层，粘结层为Cr，支撑层为CrN，主耐磨层是由CrSiN层与TiAlSiN层交替构成的CrSiN/TiAlSiN纳米多层复合涂层，或由纳米晶CrTiAlN镶嵌于非晶Si3N4的nc-CrTiAlN/a- Si3N4纳米晶复合涂层。将上述粘结层沉积在刀具基体上，再沉积支撑层和主耐磨层，即得到沉积有该涂层的刀具。本发明所得CrTiAlSiN纳米复合涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强的优点，沉积有该涂层的刀具具有高的表面硬度、较强的膜-基附着力、良好的耐磨性能和耐高温性能。
6、结语
应用刀具涂层技术较好地解决了刀具韧性和强度之间的矛盾， 使刀具的切削速度和耐用度大幅提高。但仍然存在涂层易剥落，工艺复杂昂贵等缺点。涂层刀具未来的发展方向集中在新型涂层材料和结构工艺的开拓创新，特别是复合纳米涂层以及软涂层材料的开发。