CBN涂层及其在刀具上的应用

2018-06-26 67

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1 引言

随着现代切削技术的发展，金属切除率不断提高。1900年，用碳素工具钢刀具车削标准钢棒(f500mm×100mm)需用时约100 分钟，20世纪50年代采用硬质合金刀具后，加工时间缩短为几分钟。1969年开始采用涂层硬质合金刀具，最初用涂层刀片切削标准钢棒需用时1.5min，而采用GC1025和GC015涂层刀片使加工时间进一步缩短到1.25min和1min。通过对加工过程进行分析可知，要提高切削速度、降低切削成本，在所有加工因素中最经济的办法就是应用新型刀具材料。

刀具表面涂层是提高刀具寿命、降低切削成本的有效手段。刀具涂层不仅可以提高刀具的表面硬度，增强其耐磨性，而且可以减小刀具表面摩擦系数，增加润滑能力，提高切削速度，减少换刀次数，提高被加工零件的精度和表面质量，从而提高生产效率。目前，在工业发达国家，涂层刀具已占所用全部刀具的80%以上，而我国这一比例尚不及20%，因此推广涂层刀具的应用、开发新的涂层刀具材料具有重大意义。

CBN(Cubic Boron Nitride，立方氮化硼)是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬无机材料，它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性，如超高硬度(仅次于金刚石)、高耐磨性、低摩擦系数、低热膨胀系数等，同时还具有一些优于金刚石的特性(CBN与金刚石的性能对比见下表)。与金刚石不适合加工钢铁材料不同，CBN对铁族金属具有极为稳定的化学性能，因此可广泛用于钢铁制品的精密加工、研磨等。CBN除具有优良的耐磨损性能外，其耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削耐热钢、淬火钢、钛合金等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨损非常严重的Si-Al合金等难加工材料。表 CBN与金刚石的性能对比性能 CBN 金刚石晶体结构闪锌矿金刚石晶格常数(A°) 3.615 3.567 密度(g·cm^-3) 3.48 3.515 显微硬度(MPa) 46042~84337 >88260 弹性模量(GPa) 700 1000 热膨胀系数(×10^-6/°C) 4.7 3.1 化学稳定性与Fe 系金属不反应，大气中至1000°C不氧化与Fe 系金属反应，大气中600°C以上氧化热稳定性真空中，温度至1550°C才发生从CBN至HBN的相变真空中，温度超过1300°C，金刚石开始向石墨转变

CBN并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成CBN的传统方法是高温高压法。这种方法对合成条件要求苛刻，成本高，而且只能得到CBN 细小粉末，仅能用作磨料和聚晶CBN 刀具。尽管如此，由于使用了粘结剂，这种价格昂贵的刀具的加工性能也大大降低。因此迫切需要开发价格更低、质量更高的CBN 制备技术。

2 CBN涂层的制备方法

BN 具有三种异构体，即HBN、CBN 和WBN。

HBN(六方氮化硼)具有与石墨极为相似的结构，又称为“白色石墨”，质地也很软；而CBN 的结构和性能与金刚石相近。1987 年Inagawa 等人成功地制备了纯度较高的CBN 薄膜，随后许多研究人员相继采用物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD)方法成功制备了CBN，从而在国际上掀起了研究立方氮化硼薄膜的热潮。在多种制备方法中，最典型的方法是等离子体增强脉冲激光沉积法和热丝辅助射频等离子体化学气相沉积法。

等离子体增强脉冲激光沉积法
图1为等离子体增强脉冲激光沉积装置示意图。该装置主要包括多波段Nd:YAG 激光器、等离子枪和抽真空系统。等离子枪包括一个热电子发射阴极(热阴极，由钨丝制作的灯丝构成)和一个阳极；固体激光器产生的高能激光作用在靶材(HBN)上，温度可达10000:，靶材在高温下熔化和气化，产生B 蒸气；热阴极发射的热电子激活反应气体N₂产生等离子体N⁺，它与B蒸气反应，在基片上沉积BN薄膜。基极偏压的作用是辅助沉积，基片距靶材5cm，在沉积过程中基片不停旋转。
等离子体增强脉冲激光沉积装置沉积CBN的典型条件为：R6入射功率10~150W，基极负偏压100~200V，激光能量密度25J/cm₂，沉积时间5~15min。
热丝辅助射频等离子体CVD法
图2热丝辅助射频等离子体CVD装置示意图。射频电源产生的高频电磁振荡激发反应气体产生等离子体，置于基片上方的热丝一方面对基片和反应气体加热以提供更多热能，另一方面热丝发射的热电子进一步增强等离子体，以提高反应气体离解率；基片温度通过调节灯丝电压进行控制。反应气体为B₂H₆与NH₃的混合气体，混合前先用高纯度H₂分别稀释至1%~5%，再按NH₃:B₂H₆=3:1 的体积比混合并通过反应室。制备前先将反应室抽至小于1Pa的基础真空度，并用H₂清洗几分钟。
热丝辅助射频等离子体CVD法沉积CBN的典型条件为：热丝温度1800~2200°C，基片温度800~1000°C，热丝到基片的距离5~15mm，射频功率100~200W。

3 应用现状及发展前景

我们采用等离子体增强脉冲激光沉积法制备了CBN 涂层，试验采用的沉积条件为：入射功率100W，基极负偏压110V，激光能量密度25J/cm²，沉积时间为10min。经红外光谱检验，发现所得到的CBN涂层不仅含有HBN(其含量随制备工艺参数不同而变化)，而且制备的涂层与基体粘着力不强。

事实上，无论采用PVD法还是CVD法，目前制备的CBN涂层都不同程度地含有HBN。鉴于目前所能得到的CBN涂层的质量，它只能作为切削刀具涂层，因为刀具涂层对涂层的组分无严格要求。因此，目前针对CBN 涂层研究最多的是在刀具上的应用。将CBN 薄膜作为刀具的耐磨涂层，可以成倍乃至几十倍地提高刀具的使用寿命。美国、日本的许多企业在此方面进行了大量投资，以充分开发CBN材料的潜在优势。预计近年超硬涂层工具的市场将达到每年20亿美元，并且应用领域主要集中在汽车工业。

由于形成CBN涂层时总是伴随着很大的内应力，因此CBN涂层极易从基体上脱落。我们的试验也证明，CBN涂层刀具要走向实用化，目前最大的难题是要解决CBN涂层与硬质合金基体之间的结合力。目前较为有效的方法是在基体与涂层之间增加过渡层，如氮化钛、氮化硅、富硼梯度层等。过渡层能显著减少涂层的内应力，从而提高涂层与基体的结合力。然而要真正达到实用要求，还有待进一步研究与改良。

马锡英等选用与CBN晶格常数非常接近且具有面心立方结构的Ni作为衬底材料来沉积CBN涂层，并将其与Si衬底进行比较，发现Si衬底与CBN的晶格常数失配度高达33%，而Ni衬底与CBN的晶格常数失配度仅1.3%。实验结果表明，在Ni衬底上生长的CBN薄膜质量较好，而Si衬底上生长的薄膜则出现了剥离现象。当在Si衬底上溅射了Ni过渡层后，制备的CBN薄膜质量明显得到改善。

要制备实用的CBN刀具涂层，除需选用理想的过渡层材料外，还应尽可能降低涂层中的内应力，我们正在尝试采用激光热处理方法来降低涂层中的内应力。相信在业界研究人员的共同努力下，制备出能解决生产急需的理想的CBN刀具涂层已为时不远。

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