CBN涂層及其在刀具上的應用

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：4397

1 引言


隨著現(xiàn)代切削技術的發(fā)展，金屬切除率不斷提高。1900年，用碳素工具鋼刀具車削標準鋼棒(f500mm×100mm)需用時約100 分鐘，20世紀50年代采用硬質(zhì)合金刀具后，加工時間縮短為幾分鐘。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準鋼棒需用時1.5min，而采用GC1025和GC015涂層刀片使加工時間進一步縮短到1.25min和1min。通過對加工過程進行分析可知，要提高切削速度、降低切削成本，在所有加工因素中最經(jīng)濟的辦法就是應用新型刀具材料。
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，增強其耐磨性，而且可以減小刀具表面摩擦系數(shù)，增加潤滑能力，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)達國家，涂層刀具已占所用全部刀具的80%以上，而我國這一比例尚不及20%，因此推廣涂層刀具的應用、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)的另一種超硬無機材料，它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學特性，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，同時還具有一些優(yōu)于金剛石的特性(CBN與金剛石的性能對比見表1)。與金剛石不適合加工鋼鐵材料不同，CBN對鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學性能，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刀具磨損非常嚴重的Si-Al合金等難加工材料。












表1 CBN與金剛石的性能對比
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
化學穩(wěn)定性
與Fe 系金屬不反應，大氣中至1000°C不氧化
與Fe 系金屬反應，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。這種方法對合成條件要求苛刻，成本高，而且只能得到CBN 細小粉末，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)價格更低、質(zhì)量更高的CBN 制備技術。

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)和化學氣相沉積(CVD)方法成功制備了CBN，從而在國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脈沖激光沉積法和熱絲輔助射頻等離子體化學氣相沉積法。






    圖1 等離子體增強脈沖激光沉積裝置

    圖2 熱絲輔助射頻等離子體CVD裝置

  1. 等離子體增強脈沖激光沉積法
    圖1為等離子體增強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)和一個陽極；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氣體N2產(chǎn)生等離子體N+，它與B蒸氣反應，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，基極負偏壓100~200V，激光能量密度25J/cm2，沉積時間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)反應氣體產(chǎn)生等離子體，置于基片上方的熱絲一方面對基片和反應氣體加熱以提供更多熱能，另一方面熱絲發(fā)射的熱電子進一步增強等離子體，以提高反應氣體離解率；基片溫度通過調(diào)節(jié)燈絲電壓進行控制。反應氣體為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室。制備前先將反應室抽至小于1Pa的基礎真空度，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 應用現(xiàn)狀及發(fā)展前景


我們采用等離子體增強脈沖激光沉積法制備了CBN 涂層，試驗采用的沉積條件為：入射功率100W，基極負偏壓110V，激光能量密度25J/cm2，沉積時間為10min。經(jīng)紅外光譜檢驗，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。
事實上，無論采用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，因為刀具涂層對涂層的組分無嚴格要求。因此，目前針對CBN 涂層研究最多的是在刀具上的應用。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、日本的許多企業(yè)在此方面進行了大量投資，以充分開發(fā)CBN材料的潛在優(yōu)勢。預計近年超硬涂層工具的市場將達到每年20億美元，并且應用領域主要集中在汽車工業(yè)。
由于形成CBN涂層時總是伴隨著很大的內(nèi)應力，因此CBN涂層極易從基體上脫落。我們的試驗也證明，CBN涂層刀具要走向?qū)嵱没�，目前最大的難題是要解決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)應力，從而提高涂層與基體的結(jié)合力。然而要真正達到實用要求，還有待進一步研究與改良。
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襯底進行比較，發(fā)現(xiàn)Si襯底與CBN的晶格常數(shù)失配度高達33%，而Ni襯底與CBN的晶格常數(shù)失配度僅1.3%。實驗結(jié)果表明，在Ni襯底上生長的CBN薄膜質(zhì)量較好，而Si襯底上生長的薄膜則出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象。當在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。
要制備實用的CBN刀具涂層，除需選用理想的過渡層材料外，還應盡可能降低涂層中的內(nèi)應力，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刀具涂層已為時不遠

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