在機械制造加工領(lǐng)域，大量的工件會在接觸、碰撞、振動等復(fù)雜工況下服役，因此很容易發(fā)生各種形式的破壞和失效。不過隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，已經(jīng)有了可靠的方法提高各類材料及零部件的表面性能，那就是在它們的表面涂覆硬質(zhì)涂層，不僅可有效改善了工件的性能，還能提高工作效率、延長使用壽命。
硬度涂層的分類
硬質(zhì)涂層是指具有一定厚度（一般為微米量級）、顯微硬度在20GPa以上的涂層。硬質(zhì)涂層具有高的硬度、低的摩擦因數(shù)、良好的耐高溫和耐腐蝕性能，在機械加工、模具制造、地質(zhì)鉆探、紡織工業(yè)及航空航天等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。根據(jù)顯微硬度不同，硬質(zhì)涂層可分為兩種：一種是顯微硬度介于20~40GPa之間的普通硬質(zhì)涂層；另一種是顯微硬度超過40GPa的超硬涂層，今天首先對前者進(jìn)行總結(jié)。
普通硬質(zhì)涂層
普通硬質(zhì)涂層材料大多是過渡族金屬與非金屬構(gòu)成的化合物、金屬間化合物等。這些化合物通常通過金屬鍵、共價鍵、離子鍵或離子鍵和金屬鍵的混合鍵鍵合而成，因具有極高的硬度、優(yōu)良的耐熱性、抗氧化性、耐腐蝕性以及良好的絕緣性能。目前常見的普通硬質(zhì)涂層主要包括氮化物、硼化物、氧化物和碳化物涂層等。
①氮化物涂層
金屬氮化物一般具有熔點和硬度高，熱穩(wěn)定性能、耐腐蝕性能和抗氧化性能優(yōu)良等特點。鈦、鉻、釩、鈮、鋯、鉿等過渡族金屬的氮化物通常被用作刀具表面的強化涂層。常見的且研究最早、應(yīng)用最廣泛的是鈦、鉻氮化物涂層。
TiN涂層具有硬度高、韌性好、化學(xué)穩(wěn)定性好和色澤華麗等優(yōu)點，已在工具行業(yè)上成功應(yīng)用，曾被譽為“工具上的一次革命”。該涂層除了可作為功能涂層外，還可作為裝飾涂層；與TiN涂層相比，CrN涂層的摩擦因數(shù)更低，耐高溫和耐腐蝕性能更好，并且具有較高的濺射產(chǎn)額，有利于大批量的工業(yè)生產(chǎn)。此外，CrN涂層的內(nèi)應(yīng)力較低，在不同基體上的涂層厚度可達(dá)４０μｍ，而TiN涂層的厚度只能達(dá)到約10μm。
②碳化物涂層
碳化物是一類熔點和硬度很高、熱穩(wěn)定性和機械穩(wěn)定性極高的材料，其在室溫下幾乎可以耐各種化學(xué)試劑的腐蝕，部分碳化物還具有與其母體金屬相類似的電、磁性能。碳化物涂層在機械切削、礦物開采、耐磨損和耐高溫部件等方面廣泛應(yīng)用?碳化物涂層材料主要有Ⅳ族碳化物（如TiC、ZrC、HfC）、V族碳化物（如VC?NbC?TaC）和VI族碳化物（如Cr3C2、MoC、WC）等?在上述各種碳化物涂層中，TiC、Cr3C2和WC涂層的應(yīng)用最為廣泛?
TiC涂層的性能與TiN的相似，都具有很高的硬度和耐磨性，可用作切削工具、鉆頭和各種模具的耐磨涂層，但脆性較大，通常在涂層制備過程中加入一些氮形成Ti(C,N)涂層，以改善韌性；鉻的碳化物（Cr3C2）具有最強的抗氧化能力，在高溫下依然保持著相當(dāng)高的硬度，在空氣中于1100~1400℃才開始發(fā)生顯著氧化，因此是一種極優(yōu)異的防腐涂層；與TiC和Cr3C2相比，WC具有更加優(yōu)異的耐磨性，因此適合用于摩擦、磨損、沖蝕等領(lǐng)域的應(yīng)用中，被認(rèn)為是電鍍硬鉻涂層的理想替代產(chǎn)品。
③氧化物涂層
常見的氧化物涂層材料主要有Al2O3、ZrO2、Cr2O3、TiO2等，它們具有較高的硬度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性等，是理想的硬質(zhì)防護(hù)涂層。ZrO2作為熱障涂層，廣泛用于高溫合金的耐熱防護(hù)方面；Al2O3和Cr2O3具有相當(dāng)高的硬度，且很致密，主要用作耐磨和抗高溫氧化腐蝕涂層。
Al2O3不溶于水，微溶于強酸和強堿溶液，是在工業(yè)中應(yīng)用最多的金屬氧化物涂層材料，常作為耐磨涂層應(yīng)用于硬質(zhì)合金切削刀片以及在高溫下工作的機械部件上；ZrO2涂層擁有優(yōu)秀的高溫?zé)岱€(wěn)定性能和隔熱性能，是理想的高溫耐火材料和熱障涂層材料；Cr2O3具有比前兩者更高的硬度，還具有極好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高溫性能以及低的摩擦因數(shù)，通常被用作微電子器件的阻擋層和磨損器件的保護(hù)層；TiO2的硬度較低，但其具有非常低的孔隙率，不易發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，韌性好，易于加工，磨削后的表面粗糙度很低，耐大多數(shù)酸、鹽等溶劑的腐蝕，是重要的耐蝕、耐磨涂層材料。
④硼化物涂層
過渡族金屬硼化物通常是間隙相化合物，硼與硼之間可形成多種復(fù)雜的共價鍵，同時硼原子又可與金屬原子形成離子鍵，其硬度與碳化物的硬度相當(dāng)，甚至更高，而且惰性更強，化學(xué)性能更穩(wěn)定。其中，ZrB2、TiB2等二元硼化物因性能優(yōu)異而被認(rèn)為是最有希望得到廣泛應(yīng)用的硼化物，已廣泛用作耐磨耐蝕涂層、中子吸收涂層和自熔性合金中的強化硬質(zhì)相以及超高溫涂層等。
總結(jié)
雖然在性能上與超硬涂層有些距離，但普通硬質(zhì)涂層憑借不錯的性能、較低的成本依舊在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。不過隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的迅速發(fā)展，部分領(lǐng)域的機械和結(jié)構(gòu)零件需要在比以往更苛刻的條件下工作，因此對材料以及表面防護(hù)涂層的性能提出了更高的要求，下一篇中將對硬度更高的“超硬涂層”進(jìn)行整理總結(jié)。
