CBN涂層及其在刀具上的應(yīng)用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：4408

1 引言


隨著現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展，金屬切除率不斷提高。1900年，用碳素工具鋼刀具車削標(biāo)準(zhǔn)鋼棒(f500mm×100mm)需用時(shí)約100 分鐘，20世紀(jì)50年代采用硬質(zhì)合金刀具后，加工時(shí)間縮短為幾分鐘。1969年開始采用涂層硬質(zhì)合金刀具，最初用涂層刀片切削標(biāo)準(zhǔn)鋼棒需用時(shí)1.5min，而采用GC1025和GC015涂層刀片使加工時(shí)間進(jìn)一步縮短到1.25min和1min。通過對(duì)加工過程進(jìn)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經(jīng)濟(jì)的辦法就是應(yīng)用新型刀具材料。
刀具表面涂層是提高刀具壽命、降低切削成本的有效手段。刀具涂層不僅可以提高刀具的表面硬度，增強(qiáng)其耐磨性，而且可以減小刀具表面摩擦系數(shù)，增加潤(rùn)滑能力，提高切削速度，減少換刀次數(shù)，提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量，從而提高生產(chǎn)效率。目前，在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，涂層刀具已占所用全部刀具的80%以上，而我國(guó)這一比例尚不及20%，因此推廣涂層刀具的應(yīng)用、開發(fā)新的涂層刀具材料具有重大意義。
CBN(Cubic Boron Nitride，立方氮化硼)是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的另一種超硬無(wú)機(jī)材料，它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學(xué)特性，如超高硬度(僅次于金剛石)、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等，同時(shí)還具有一些優(yōu)于金剛石的特性(CBN與金剛石的性能對(duì)比見表1)。與金剛石不適合加工鋼鐵材料不同，CBN對(duì)鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能，因此可廣泛用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等。CBN除具有優(yōu)良的耐磨損性能外，其耐熱性也極為優(yōu)良，在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、鈦合金等，并能切削高硬度的冷硬軋輥、滲碳淬火材料以及對(duì)刀具磨損非常嚴(yán)重的Si-Al合金等難加工材料。












表1 CBN與金剛石的性能對(duì)比
性能
CBN
金剛石
晶體結(jié)構(gòu)
閃鋅礦
金剛石
晶格常數(shù)(A°)
3.615
3.567
密度(g·cm-3)
3.48
3.515
顯微硬度(MPa)
46042~84337
>88260
彈性模量(GPa)
700
1000
熱膨脹系數(shù)(×10-6/°C)
4.7
3.1
化學(xué)穩(wěn)定性
與Fe 系金屬不反應(yīng)，大氣中至1000°C不氧化
與Fe 系金屬反應(yīng)，大氣中600°C以上氧化
熱穩(wěn)定性
真空中，溫度至1550°C才發(fā)生從CBN至HBN的相變
真空中，溫度超過1300°C，金剛石開始向石墨轉(zhuǎn)變

CBN并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成CBN的傳統(tǒng)方法是高溫高壓法。這種方法對(duì)合成條件要求苛刻，成本高，而且只能得到CBN 細(xì)小粉末，僅能用作磨料和聚晶CBN 刀具。盡管如此，由于使用了粘結(jié)劑，這種價(jià)格昂貴的刀具的加工性能也大大降低。因此迫切需要開發(fā)價(jià)格更低、質(zhì)量更高的CBN 制備技術(shù)。

2 CBN涂層的制備方法


BN 具有三種異構(gòu)體，即HBN、CBN 和WBN。
HBN(六方氮化硼)具有與石墨極為相似的結(jié)構(gòu)，又稱為“白色石墨”，質(zhì)地也很軟；而CBN 的結(jié)構(gòu)和性能與金剛石相近。1987 年Inagawa 等人成功地制備了純度較高的CBN 薄膜，隨后許多研究人員相繼采用物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)方法成功制備了CBN，從而在國(guó)際上掀起了研究立方氮化硼薄膜的熱潮。在多種制備方法中，最典型的方法是等離子體增強(qiáng)脈沖激光沉積法和熱絲輔助射頻等離子體化學(xué)氣相沉積法。






    圖1 等離子體增強(qiáng)脈沖激光沉積裝置

    圖2 熱絲輔助射頻等離子體CVD裝置

  1. 等離子體增強(qiáng)脈沖激光沉積法
    圖1為等離子體增強(qiáng)脈沖激光沉積裝置示意圖。該裝置主要包括多波段Nd:YAG 激光器、等離子槍和抽真空系統(tǒng)。等離子槍包括一個(gè)熱電子發(fā)射陰極(熱陰極，由鎢絲制作的燈絲構(gòu)成)和一個(gè)陽(yáng)極；固體激光器產(chǎn)生的高能激光作用在靶材(HBN)上，溫度可達(dá)10000:，靶材在高溫下熔化和氣化，產(chǎn)生B 蒸氣；熱陰極發(fā)射的熱電子激活反應(yīng)氣體N2產(chǎn)生等離子體N+，它與B蒸氣反應(yīng)，在基片上沉積BN薄膜�；鶚O偏壓的作用是輔助沉積，基片距靶材5cm，在沉積過程中基片不停旋轉(zhuǎn)。
    等離子體增強(qiáng)脈沖激光沉積裝置沉積CBN的典型條件為：R6入射功率10~150W，基極負(fù)偏壓100~200V，激光能量密度25J/cm2，沉積時(shí)間5~15min。

  2. 熱絲輔助射頻等離子體CVD法
    圖2熱絲輔助射頻等離子體CVD裝置示意圖。射頻電源產(chǎn)生的高頻電磁振蕩激發(fā)反應(yīng)氣體產(chǎn)生等離子體，置于基片上方的熱絲一方面對(duì)基片和反應(yīng)氣體加熱以提供更多熱能，另一方面熱絲發(fā)射的熱電子進(jìn)一步增強(qiáng)等離子體，以提高反應(yīng)氣體離解率；基片溫度通過調(diào)節(jié)燈絲電壓進(jìn)行控制。反應(yīng)氣體為B2H6與NH3的混合氣體，混合前先用高純度H2分別稀釋至1%~5%，再按NH3:B2H6=3:1 的體積比混合并通過反應(yīng)室。制備前先將反應(yīng)室抽至小于1Pa的基礎(chǔ)真空度，并用H2清洗幾分鐘。
    熱絲輔助射頻等離子體CVD法沉積CBN的典型條件為：熱絲溫度1800~2200°C，基片溫度800~1000°C，熱絲到基片的距離5~15mm，射頻功率100~200W。

3 應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景


我們采用等離子體增強(qiáng)脈沖激光沉積法制備了CBN 涂層，試驗(yàn)采用的沉積條件為：入射功率100W，基極負(fù)偏壓110V，激光能量密度25J/cm2，沉積時(shí)間為10min。經(jīng)紅外光譜檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所得到的CBN涂層不僅含有HBN(其含量隨制備工藝參數(shù)不同而變化)，而且制備的涂層與基體粘著力不強(qiáng)。
事實(shí)上，無(wú)論采用PVD法還是CVD法，目前制備的CBN涂層都不同程度地含有HBN。鑒于目前所能得到的CBN涂層的質(zhì)量，它只能作為切削刀具涂層，因?yàn)榈毒咄繉訉?duì)涂層的組分無(wú)嚴(yán)格要求。因此，目前針對(duì)CBN 涂層研究最多的是在刀具上的應(yīng)用。將CBN 薄膜作為刀具的耐磨涂層，可以成倍乃至幾十倍地提高刀具的使用壽命。美國(guó)、日本的許多企業(yè)在此方面進(jìn)行了大量投資，以充分開發(fā)CBN材料的潛在優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)近年超硬涂層工具的市場(chǎng)將達(dá)到每年20億美元，并且應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車工業(yè)。
由于形成CBN涂層時(shí)總是伴隨著很大的內(nèi)應(yīng)力，因此CBN涂層極易從基體上脫落。我們的試驗(yàn)也證明，CBN涂層刀具要走向?qū)嵱没壳白畲蟮碾y題是要解決CBN涂層與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合力。目前較為有效的方法是在基體與涂層之間增加過渡層，如氮化鈦、氮化硅、富硼梯度層等。過渡層能顯著減少涂層的內(nèi)應(yīng)力，從而提高涂層與基體的結(jié)合力。然而要真正達(dá)到實(shí)用要求，還有待進(jìn)一步研究與改良。
馬錫英等選用與CBN晶格常數(shù)非常接近且具有面心立方結(jié)構(gòu)的Ni作為襯底材料來沉積CBN涂層，并將其與Si襯底進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Si襯底與CBN的晶格常數(shù)失配度高達(dá)33%，而Ni襯底與CBN的晶格常數(shù)失配度僅1.3%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在Ni襯底上生長(zhǎng)的CBN薄膜質(zhì)量較好，而Si襯底上生長(zhǎng)的薄膜則出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象。當(dāng)在Si襯底上濺射了Ni過渡層后，制備的CBN薄膜質(zhì)量明顯得到改善。
要制備實(shí)用的CBN刀具涂層，除需選用理想的過渡層材料外，還應(yīng)盡可能降低涂層中的內(nèi)應(yīng)力，我們正在嘗試采用激光熱處理方法來降低涂層中的內(nèi)應(yīng)力。相信在業(yè)界研究人員的共同努力下，制備出能解決生產(chǎn)急需的理想的CBN刀具涂層已為時(shí)不遠(yuǎn)

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