隨著納米技術(shù)的發(fā)展和涂鍍技術(shù)的進步，納米刀具涂層材料也引起的廣大研究者的關(guān)注。納米涂層主要有兩種：納米多層結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。納米多層涂層一般由高層數(shù)的同種結(jié)構(gòu)材料、化學(xué)鍵和原子半徑及點陣常相近的各單層材料組成，可能得到與組成它的各單層涂層的性能差異顯著的全新涂層。這是一種人為可控的一維周期結(jié)構(gòu)，交替沉積單層涂層不超過5～15nm。Chu和Barnett認為，納米多層涂層的高硬度主要是由于層內(nèi)或?qū)娱g位錯運動困難所致。當涂層非常薄時，兩層間的剪切模量不同，如果層間位錯能量有較大差異，則層間位錯運動困難，即位錯運動的能量決定了超點陣涂層的硬度。納米多層涂層的結(jié)構(gòu)主要有三種方式：(1)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層交替涂覆；(2)金屬AlN納米層與金屬AlCN納米層交替涂覆；(3)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層及金屬AlCN納米層交替涂覆。涂層過程中均可添加其他金屬元素（如鈦、鈮、鉿、釩、鉭、鋯或鉻），以進一步提高涂層的硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、韌性和抗氧化性能。研究表明，對于TiN/AlN納米多涂層，當層厚為2～4nm時，AlN呈現(xiàn)立方NaCl結(jié)構(gòu)，涂層顯微硬度達到30～40GPa，其抗氧化溫度達到1000℃，采用等離子增強化學(xué)氣相沉積制得的AlN/TiAlN納米多層膜具有高硬度、高附著力和高耐磨性。

    納米多層涂層雖然達到了較高的硬度，但研究認為納米多層涂層的性能與涂層的周期膜厚有很大關(guān)系，當在形狀復(fù)雜的刀具或零件表面沉積納米多層膜時，很難控制各層的膜厚，同時在高溫工作環(huán)境下各層間的元素相互擴散也會導(dǎo)致涂層性能下降，而采用單層的納米復(fù)合涂層能解決這些問題。德國材料科學(xué)家Veprek等根據(jù)Koehler的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)理論，提出了納米復(fù)合超硬涂層的理論和設(shè)計概念，并在由等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備的Ti-Si-N(nc-TiN/a-Si3N4)系統(tǒng)中被證實，同時nc-W2N/a-Si3N4和nc-VN/a-Si3N4也都表現(xiàn)出了良好的機械性能。以nc-TiN/a-Si3N4為代表的納米復(fù)合超硬材料，以其優(yōu)異的性能，如超高硬度、高硬高韌性及低的摩擦系數(shù)等，引起了人們的極大興趣。Zhang用離子束沉積了nc-TiN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層，并系統(tǒng)的研究了其微觀結(jié)構(gòu)、表面形貌和力學(xué)性能。結(jié)果顯示，在Si含量11.4%時復(fù)合涂層達到最大值42GPa。Kim等研究了閉合場非平衡磁控反應(yīng)濺射TiAlSiN涂層，由納米晶的TiAlN和非晶態(tài)的Si3N4組成，顯微硬度及彈性模量約為42和490GPa。Nakonechan等用陰極弧PVD制備了(Ti,Si,Al)N涂層，最大硬度38～39GPa。Ribeiro等研究了離子轟擊對(Ti,Si,Al)N涂層的影響，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在TiAlN和SiNx相，并形成了nc-TiN/a-Si3N4復(fù)合納米結(jié)構(gòu)，增加離子轟擊可使硬度從30GPa增大到45GPa。

    盡管這些納米結(jié)構(gòu)的涂層大多是實驗室里的結(jié)果，但其結(jié)果顯示出了納米結(jié)構(gòu)涂層在金屬切削中的良好前景。

    日本住友公司開發(fā)的AC105G，AC110G等牌號的ZX涂層是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層，層數(shù)可達2000層，每層厚度約為1nm。這種新涂層與基體結(jié)合強度高，涂層硬度接近CBN，抗氧化性能好，抗剝離性強，而且可顯著改善刀具表面粗糙度，其壽命是TiN、TiAlN涂層的2～3倍。Balzers公司開發(fā)并已被應(yīng)用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是兩種TiAlN納米結(jié)構(gòu)涂層，涂層硬度平均為HV3300，開始氧化溫度為900℃。瑞士Platit公司開發(fā)納米多層涂層，以AlN作為主層，TiN-CrN為中間層，兩者相互交替形成多層結(jié)構(gòu)。試驗表明，當周期為7nm時涂層的硬度達到最高，約45GPa。該公司利用LARC®（LateralRotatingARC-Cathodes）技術(shù)開發(fā)的新一代nc-TiAlN/(a-Si3N4)納米復(fù)合涂層是在強等離子體作用下，3nm的TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi)，在晶粒之間為1nm厚的Si3N4，這種結(jié)構(gòu)使涂層硬度可達到50GPa，且高溫硬度更是十分突出，當溫度達到1200℃時，其硬度值仍可保持在30GPa。日立公司最近也開發(fā)了采用納米結(jié)晶材料組成TH涂層(TiSiN)，實現(xiàn)了耐高溫和高硬度性，從預(yù)硬鋼到淬火鋼的高速切削加工，高效加工中有顯著的優(yōu)越性，加工效率提高2倍以上，與常用涂層比較，切削加工時由于耐高溫，所以最適合干銑削加工。同時日立公司還開發(fā)了納米結(jié)構(gòu)適用于軟鋼的加工領(lǐng)域的CS涂層(CrSiN)。三菱綜合材料神戶工具生產(chǎn)的“IMPACTMIRACLE立銑刀”采用先進的單相納米結(jié)晶（Al,Ti,Si）N涂層，氧化溫度達到了1300°，與基材的結(jié)合力達100N，在加工HRC60左右的高硬度材料時，可大幅延長刀具的壽命。

    Cemecom公司新的納米結(jié)構(gòu)Supernitrides涂層成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。這類涂層將硬質(zhì)涂層卓越的抗磨損性能及傳統(tǒng)的氧化涂層所具有的化學(xué)穩(wěn)定性完美地結(jié)合起來，在應(yīng)用中表現(xiàn)出極佳的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。涂層的形態(tài)及構(gòu)成(例如鋁含量、結(jié)構(gòu)、表面光潔程度等)可根據(jù)應(yīng)用的需要進行最佳設(shè)計。對多種不同的被加工材料(如CGI、42CrMo4、鑄鐵、工具鋼等)進行鉆削、銑削、滾削和車削加工測試的結(jié)果證實了Supernitrides涂層的優(yōu)越性能。