表面塗層硬質合金是通過化學氣相沉積(CVD)等方法，在硬質合金刀片的表面上塗覆耐磨的TiC或TiN、HfN、Al2O3等薄層，形成表面塗層硬質合金。這是現代硬質合金研製技術的重要進展。1969年，西德克虜伯公司和瑞典山特維克公司研製的TiC塗層硬質合金刀片初次投入市場。1970年後，美國、日本和其他國家也都開始生產這種刀片。三十餘年來，塗層技術有了很大的進展。塗層硬質合金刀片由第一代、第二代已發展到第三代、第四代產品。

塗層硬質合金刀片一般均製成可轉位的式樣。用機夾方法裝卡在刀杆或刀體上使用。它具有以下優點：
1)由於表層的塗層材料具有極高的硬度和耐磨性，故與未塗層硬質合金相比，塗層硬質合金允許採用較高的切削速度，從而提高了加工效率；或能在同樣的切削速度下大幅度地提高刀具耐用度。
2)由於塗層材料與被加工材料之間的摩擦係數較小，故與未塗層刀片相比，塗層刀片的切削力有一定降低。
3)塗層刀片加工時，已加工表面品質較好。
4)由於綜合性能好，塗層刀片有較好的通用性。一種塗層牌號的刀片有較寬的適用範圍。

鎢鈦鈷硬質合金(cemented titanium-tung-sten carbide)由WC%26mdash;TiC、WC和粘結金屬鈷組成的或者僅由WC%26mdash;TiC固溶體和鈷組成的多相硬質合金。合金的含鈷量4％～10％，含TiC5％～30％，餘量為WC，主要用於切削鋼材。鎢鈦鈷硬質合金具有較高的抗月牙窪磨損能力，適合作長切削材料的刀具。用鎢鈷硬質合金刀具切削鋼材時易出現月牙窪磨損，這主要是由於在切削溫度下刀具與切屑發生擴散反應引起的。為了克服加工鋼材時的月牙窪磨損，在20世紀20年代初，研製了含TiC的硬質合金和含TaC的硬質合金，稍後又研製了同時含有碳化鈦和碳化鉭的硬質合金。在這類合金中，TiC和TaC的含量取決於月牙窪磨損的嚴重程度，TiC可達35％，TaC達7％。

鎢鈦鉭鈷硬質合金(即WC%26mdash;TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co合金)，已發展成為切削鋼的重要材料。在西歐幾乎取消了原有的WC一TiC%26mdash;Co切削鋼牌號合金，在美國和日本，切削鋼牌號合金以WC%26mdash;TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co合金為主，但在東歐，尤其在前蘇聯，切削鋼牌號合金仍以WC%26mdash;TiC%26mdash;Co合金為主。WC%26mdash;TiC%26mdash;Co和WC一TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co切削牌號合金在硬質合金中的比例因各國情況而異。

在中國，WC%26mdash;TiC%26mdash;Co合金的生產量僅次於鎢鈷硬質合金。用代號YT表示WC%26mdash;TiC%26mdash;Co合金，用代號YW表示WC%26mdash;TiC%26mdash;TaC%26mdash;Co合金，後者又稱為通用合金。表1和表2列出中國鎢鈦鈷硬質合金和鎢鈦鉭鈷硬質合金的牌號、成分和性能。

由於經過塗層工藝，基體刀片的韌性和抗彎強度不可避免地有所下降，加上塗層材料的化學性質等原因，故塗層硬質合金刀片仍只有一定的適用範圍。塗層硬質合金刀片可以用於各種碳素結構鋼、合金結構鋼(包括正火和調質狀態)、易切鋼、工具鋼、馬氏體不銹鋼和灰鑄鐵的精加工、半精加工以及較輕負荷的粗加工。

塗層硬質合金刀片最適用于連續車削，但在切深變化不大的仿形車削、衝擊力不太大的間斷車削及某些銑削工序中亦可採用。近年在切斷、車螺紋中也已使用塗層刀片。但是，TiC和TiN塗層刀片不適宜於加工下列材料：高溫合金、鈦合金、奧氏體不銹鋼、有色金屬(銅、鎳、鋁、鋅等純金屬及其合金)。沉重的粗加工，表面有嚴重夾砂和硬皮的鑄件的加工也不宜使用塗層刀片。


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硬質合金中碳含量控制是一個非常關鍵的問題。當合金中缺碳時，在合金中會形成脆性η相，η相的出現將大幅降低硬質合金的斷裂韌度和強度。目前已知的η相主要有M6C型的Co3W3C、Co2W4C；M12C型的Co6W6CF、Co6W6C104F；Co3W9C4，除此之外，還有Co2W6C、Co2W8C3和Co3W10C4等。當合金中碳過量時，合金中的石墨相也將對合金的性能產生不利影響。採用化學氣相沉積方法在梯度合金基體表面塗敷TiC高硬耐磨材料，在1000℃時，發生如下反應：

TiCl4+CH4+H2TiC+4HCl+H2

化學反應過程中生成的TiC沉積在基體的表面，然而實驗發現，在化學氣相沉積TiC塗層過程中，伴隨著如下反應的進行：

TiCl4+C+2H2TiC+4HCl

物理氣相沉積主要為蒸發鍍膜、離子鍍膜和濺射鍍膜3大類。真空蒸發鍍膜是發展較早，應用也最廣的一種PVD塗層技術，目前仍佔有世界40%的市場，但用途範圍正在縮小。這種技術是在真空條件下採用電阻、電子束等加熱鍍膜材料，使其熔化蒸發再沉積在合金基體表面形成鍍膜。

離子鍍膜是在真空條件下通入Ar氣等，利用輝光放電使氣體和鍍膜材料部分離化，並使離子轟擊靶打出靶上的材料離子，使其沉積在合金基體的表面。離子鍍膜在切削工具超硬材料鍍膜中應用較為成功的技術是多弧離子鍍膜。

濺射鍍膜是在真空室中，利用荷能離子轟擊靶材表面，通過離子的動量傳遞轟擊出靶材中的原子及其它粒子，並使其沉積在合金基體表面形成鍍膜的技術。濺射鍍膜能實現大面積快速沉積。

PVD技術出現於20世紀70年代末，由於其工藝處理溫度可控制在500℃以下，因此可作為最終處理工藝用於高速鋼類工具的塗層。由於採用PVD技術可大幅度提高高速鋼工具的切削性能，所以該技術自80年代以來得到了迅速推廣。

為改善硬質合金的切削加工性能，工業發達國家80%以上的硬質合金刀具都經過表面塗覆處理。幾十年來，國內外相繼開發了雙塗層、三塗層以及多塗層的複合刀片，有的塗層數甚至達到幾十層、上百層的水準。硬質合金塗層技術通常可分為化學氣相沉積(CVD)技術和物理氣相沉積(PVD)技術兩大類。

化學氣相沉積(CVD)是硬質合金領域的一個重要技術突破，它借助一種或幾種含有塗層元素的化合物或單質氣體在放置有基材的反應室裏的氣相作用或在基材表面的化學反應而形成塗層，常見的CVD技術是以含C/N的有機物乙氰(CH3CN)作為主要反應氣體，與TiCl4、H2、N2在700~900℃下產生分解、化學反應生成TiCN。塗層有效地提高了硬質合金製品表面硬度和耐磨性，延長硬質合金製品的使用壽命，減少損耗，提高機加工效率。

20世紀60年代以來，CVD技術被廣泛應用於硬質合金可轉位刀具的表面處理。80年代中後期，美國已有85%硬質合金工具採用了表面塗層處理，其中CVD塗層占到99%，到90年代中期，CVD塗層硬質合金刀片在塗層硬質合金刀具中仍占80%以上。

要獲得性能良好的塗層梯度硬質合金產品，塗層基體的製備是一個非常關鍵的問題。塗層必須與合適的基體結合才能達到預期的性能。具有梯度結構的表面富鈷合金基體則使塗層切削刃強度更高，提高了塗層抗裂紋擴展能力，提高了基體與塗層的結合強度以及刀具的抗彎強度。硬質合金刀片劃痕強度實驗表明：基體成分相同情況下，梯度結構塗層刀片的基體與塗層結合強度比無梯度結構塗層刀片的基體與塗層結合強度大。硬質合金刀片的切削實驗也表明：基體和塗層成分相同的情況下，有梯度結構塗層硬質合金刀片的切削性能比無梯度結構塗層硬質合金刀片的切削性能優良。

梯度硬質合金基體可通過分段燒結工藝製備。第一階段預燒結，將試樣在氮氣保護下升溫(升溫速度為5℃/min)，升溫到400℃時保溫1h脫蠟；溫度到1380℃時，保溫1h使合金緻密化後，冷卻至室溫。第二階段梯度燒結，在真空狀態下，將預燒結後試樣由室溫升至燒結溫度並保溫2h後隨爐冷卻至室溫。

由於硬質合金刀具材料的耐磨性和強韌性不易兼顧，因此使用者只能根據具體加工物件和加工條件在眾多硬質合金牌號中選擇適用的刀具材料，這給硬質合金刀具的選用和管理帶來諸多不便。為進一步改善硬質合金刀具材料的綜合切削性能，對硬質合金刀具材料的研究研究熱點主要包括以下幾個方面：

(1)細化晶粒
通過細化硬質相晶粒度、增大硬質相晶間表面積、增強晶粒間結合力，可使硬質合金刀具材料的強度和耐磨性均得到提高。當WC晶粒尺寸減小到亞微米以下時，材料的硬度、韌性、強度、耐磨性等均可提高，達到完全緻密化所需溫度也可降低。普通硬質合金晶粒度為3～5μm，細晶粒硬質合金晶粒度為l～1.5μm(微米級)，超細晶粒硬質合金晶粒度可達0.5μm以下(亞微米、納米級)。超細晶粒硬質合金與成分相同的普通硬質合金相比，硬度可提高2HRA以上，抗彎強度可提高600～800MPa。

常用的晶粒細化工藝方法主要有物理氣相沉積法、化學氣相沉積法、等離子體沉積法、機械合金化法等。等徑側向擠壓法(ECAE)是一種很有發展前途的晶粒細化工藝方法。該方法是將粉體置於模具中，並沿某一與擠壓方向不同(也不相反)的方向擠出，且擠壓時的橫截面積不變。經過ECAE工藝加工的粉體晶粒可明顯細化。

刀具磨損機理研究表明，在高速切削時，刃尖溫度最高可達900℃，此時刀具的磨損不僅是機械磨損，還有粘結磨損、擴散磨損及氧化磨損。因此，可將切削過程視為一個微區的物理化學變化過程。硬質合金塗層材料的選擇對於塗層能否在刀具上發揮其應有的作用有很大的影響。

碳化鈦是一種高硬度耐磨化合物，有著良好的抗摩擦磨損性能；氮化鈦的硬度稍低，但卻有較高的化學穩定性，並可大大減少刀具與被加工工件之間的摩擦係數。從塗層工藝性考慮，兩者均為較理想的塗層材料，但無論談化鈦還是氮化鈦，單一的塗層均很難滿足高速切削對刀具塗層的綜合要求。

碳氮化鈦(TiCN)是在單一的TiC晶格中，氮原子(N)佔據原來碳原子(C)在點陣中的位置而形成複合化合物，TiCxNy中碳氮原子的比例有兩種比較理想的模式，即TiC0.5N0.5和TiC0.3N0.7。由於TiCN具有TiC和TiN的綜合性能，其硬度高於TiC和TiN，因此是一種較理想的刀具塗層材料。

硬質合金廢料回收活動的開展

當用於製造硬質合金的原料仲鎢酸銨（APT）粉的價格從2005年初的每噸125美元狂漲到如今的每噸約280美元之際，由刀具製造商發起的硬質合金廢料回收活動也開展得有聲有色。

在總部位於美國賓夕法尼亞州拉特羅比的肯納金屬公司的網站上，訪問者可以查詢到回收硬質合金廢料的最新報價（目前的報價是6.75～7.00美元/磅），並可以安排將報廢的硬質合金刀具送到公司位於北卡羅萊納州亨德森的製造工廠（從國外用戶回收的硬質合金則送至位於德國埃森市的製造廠）。回收的硬質合金中必須不含陶瓷、金屬陶瓷和鋼，並應裝入密閉容器中運輸（重量不超過1000磅）。回收材料的價值可以現金、貨款扣減或更換新刀具的方式返還給用戶。

肯納公司的高級產品經理Pankaj Khare表示，硬質合金回收活動受到廣大用戶——包括從小型加工車間直到大型製造商（如福特、通用汽車、波音等）——的普遍歡迎，“用戶喜歡這個創意，喜歡這種觀念，”Pankaj說，“回收活動促進了用戶生產力的提高，因為它可使用戶瞭解他們產生了多大數量的硬質合金廢料，以便對供應鏈進行更有效的管理，採用適當的系統工藝，並使用戶可以收回一部分費用。”