1.2.10 涂层硬质合金的材料和性能特点
近40年来，硬质合金刀具从结构到材料发生了两次重大突破。一是由焊接刀具发展为可转位机夹刀具。二是在硬质合金刀具（片）表面涂覆一层几微米厚的熔点高、硬度很高、耐磨性很好、摩擦系数小、抗黏结性好的金属与非金属化合物，从而解决了刀具材料硬度越高抗弯强度越低的这一大矛盾。通过对硬质合金刀具（片）的单涂层或多涂层，扩大了刀具对工件材料的加工范围，而较具有通用性。
（1）涂层的工艺
①物理气相沉积法（PVD法）。这种工艺的处理温度为300～500℃，它不仅适用于高速钢刀具涂层，也适用于硬质合金刀具（片）涂层。可在刀具（片）表面上沉积TiN、TiC、Al2O3或多涂层。涂层厚度只有几微米，保持刀具（片）原有的精度，组织致密，结合牢固，刀具（片）保持原有的强度。
②化学气相沉积法（CVD法）。这种工艺的处理温度为900～1050℃，它只适用于硬质合金刀具（片）的涂层。它涂层的化合物多，有高度的渗透性和均匀性，可获得不同组织的多涂层，沉积速率高而晶粒细致密，黏附能力强，可获较厚的涂层。
（2）涂层物质
①TiN涂层。硬质合金刀具（片）经过TiN涂层后，可使刀具（片）表层硬度达到2000HV，比原基体硬度（1200～1500HV）提高500～800HV，使刀具耐用度提高3倍左右，并使摩擦系数减小一半以上，提高了刀具抗月牙洼磨损能力，最适合于切削钢材和易与刀具产生黏结的工件材料。
②TiC涂层。硬质合金刀具（片）经TiC涂层后，可使基体硬度1200～1500HV的刀具（片）表层硬度提高到3200HV，从而减小摩擦系数，降低切削力和切削温度，提高了刀具的耐磨性，使月牙洼磨损降低到1/30～1/20，后刀面磨损降低到1/5～1/4，其刀具耐用度可提高到3～4倍，切削速度可提高40%以上。除用来切削钢材外，还可用来切削铸铁。
③Al2O3涂层。这种涂层硬质合金兼有陶瓷刀具的耐磨性和硬质合金的抗弯强度高的特点，其涂层后的表面硬度可达2700HV。由于它是非金属，抗黏结磨损强，可用于陶瓷刀具切削加工的各工序，其刀具耐用度是未涂层硬质合金刀具的6～8倍。
④金刚石涂层。金刚石是世界上硬度最高的物质。在硬质合金刀具（片）上涂一层金刚石，可使刀具（片）表层的硬度达到10000HV，能大幅度提高刀具的耐用度。由于金刚石是非金属，与金属的亲和作用极小，不产生黏结和积屑瘤。而且它的热导率极高（κ=2000W/m·K），可允许高的切削速度，用于切削有色金属。
⑤TiAlN涂层。它的化学稳定性好，抗氧化磨损能力强。而且在切削过程高温作用下，该涂层刀具的涂层表面会生成一层极薄的非晶态Al2O3，形成一层硬质惰性保护膜，从而起到抗氧化和抗扩散磨损作用，它的涂层后表层硬度可达3500HV。适用于切削加工合金钢、不锈钢、钛合金、镍合金、铸铁、硅铝合金等，刀具耐用度比TiN涂层刀具高3～4倍。
⑥TiAlSi涂层。用它涂层硬质合金刀具（片）后，使刀具（片）表层硬度达到4000HV，大大提高了硬质合金刀具表层硬度和耐磨性。由于Si为非金属，可以大大减小和金属工件材料的黏结，适用于切削加工各种不锈钢、高温合金、钛合金、铝合金等。
⑦TiCN涂层。这种涂层优于TiN和TiC的单涂层，一般广泛用于TiN和TiC涂层的过渡层。与TiC涂层相比，刀具的耐用度可提高1.5倍，具有优良的切削性能。
⑧TiBN涂层。它是采用CVD工艺，在硬质合金刀具（片）基体上进行Ti-B-N三元涂层时，由于硼元素以硼原子渗入TiN晶格中，形成立方结构的Ti（B、N）固溶体，提高了涂层的硬度，可使刀具（片）表层的硬度达到2700HV，用于切削加工钢材效果显著。
（3）涂层的层数
为了充分发挥各种涂层物质的性能特点，可以在单涂层的基础上，进行双涂层、三涂层和多涂层，以提高刀具的耐用度，提高刀具的抗氧化、抗黏结能力，扩大刀具的使用范围。
①TiC-TiN涂层。它是用得最多的一种双涂层。在刀具（片）基体上第一层是TiC，中间层是TiCN，最外表一层是TiN，总的涂层厚度为10μm。它的复合涂层具有很高的硬度和耐磨性，化学稳定性和抗月牙洼磨损的性能，比单涂TiC或TiN都好，刀具耐用度也较高。
②TiC-Al2O3和TiN-Al2O3涂层。刀具（片）先涂一层TiC或TiN后，再涂一层Al2O3，可增加Al2O3的附着力。TiC-Al2O3涂层刀具有优良的抗后刀面磨损能力，优于TiC涂层，还优于TiC-TiN涂层。在高速切削时，Al2O3具有很高的抗氧化性能和耐磨性。
③Al2O3-Ti2O3涂层。在Al2O3涂层母体中加入4%～5%的氧化钛，就形成了这种涂层，其表层硬度可达2400～2700HV，效果比TiC涂层或Al2O3涂层更好，最适合切削加工铸铁。
④TiN-CBN及Al2O3-CBN涂层。它是在硬质合金基体上TiN或Al2O3涂层后，再涂一层立方氮化硼（CBN），其硬度可达2200～3100HV。
⑤三涂层硬质合金。它是在硬质合金刀具（片）上进行三种不同物质的涂层，总厚度小于10μm，兼顾了各层的性能和特点，达到优良的切削性能。如TiC-Ti（C、N）-TiN、TiC-Ti（C、N）-Al2O3、TiC-TiN-Al2O3、TiC-Al2O3-TiN、TiN-TiC-TiN、Ti（C、N）-TiC-Ti（C、N）-TiC-Al2O3等。
⑥多涂层硬质合金。多于三涂层的称为多涂层，最多可达13层。如TiC-Ti（C、N）-TiN-Al2O3、TaC-TiC-Al2O3-TiN、TiC-Ti（C、N）-TiN-TiC-Al2O3、TiC-Ti（C、N）-TiN-多层陶瓷-Ti（C、N）等多层复合涂层。