CBN涂层有望实现商品化

作者：赵炳桢 编译    来源：《工具展望》

欢迎访问e展厅 展厅 5 刀具相关产品展厅 刀柄, 刀具管理系统, 成型刀具, 复合刀具, 非标刀具, ... 早在上世纪80年代，当CVD金刚石涂层刚刚开发成功不久，对CBN涂层的研究工作随即展开，业界希望能够利用CBN的优越性，提高加工黑色金属的刀具性能。如今，已可通过CVD或PVD工艺进行金刚石涂层，并实现了商业化应用。但是，由于CBN材料的特殊性，使CBN涂层的研究工作经历了一个较长的过程。 开发CBN涂层的难点 据长期从事切削刀具和涂层技术研究的Dennis T. Quinto博士介绍，要使一种材料成为功能涂层材料，需要解决两个工艺技术问题：一是生成具有正确键结构的纳米晶的晶核，并且随后能够生长为最终的结晶微观组织；二是涂层能与基体牢固粘结，这也是作为刀具涂层的难题所在。 Quinto博士指出，与PCD涂层只有一种碳元素不同，CBN材料是由硼和氮两种元素组成，因此生成CBN涂层的难度大得多。为了生成具有很高硬度的涂层，这两种物质的原子必须形成特定的、称为sp3的立方键结构，以获得热动态稳定的相。否则其原子就可能形成六方相，尽管它也很稳定，但那是软的石墨相。在CVD工艺1000℃左右的高温下，原子的活动能力强，可移动的距离大，容易排列成sp3结构。可是，CVD技术似乎在本质上就不适合CBN涂层，而采用等离子辅助的PVD工艺在实验室条件下也只能沉积出最厚1微米的CBN，而要作为一种实用的硬质膜，这一厚度太薄了。 此外，在PVD工艺约500℃的低温下，原子的活动能力较弱，一方面只能形成较小的纳米晶核，甚至几乎不能长大成为晶粒，正如Quinto博士所说，“CBN的成核与金刚石成核不同，它需要更多的能量或更高能量的离子碰撞，以形成sp3结构。”另一方面，由于原子并非总能找到一个“平衡位置”，因此形成了残余应力。这本是PVD涂层中的正常现象，而且PVD涂层生成的残余应力为压应力，如果控制得好，它对抑制裂纹的产生和扩展是有利的。但是，对于CBN涂层来说，这种内应力太大，反而成为开发功能性CBN涂层的主要障碍。Quinto博士指出，如果残余应力不恰当地出现在涂层与基体的界面上，那么随着沉积厚度的增加，涂层就会自发地破碎。 为了减小过大的残余应力，科研人员在涂层与基体之间设计了一个过渡层，或者在涂层工艺中增加退火操作，以消除内应力，但至今仍未获得像金刚石涂层那样好的结合强度。 基体的类型也会影响CBN涂层粘结强度的大小，如果基体材料的性质与涂层材料接近，则涂层与基体会结合得更好。那么，为什么不能将CBN涂覆在PCBN上呢？Quinto博士指出，“这样也有可能粘结得很好，但如果超硬涂层不与韧性基体相配合，就难以获得综合优势，而且这种刀片也不经济。” 由气体相来沉积CBN的研究工作仍在继续进行，但其致命的缺点使得大多数技术难以转化为工业应用。Quinto博士表示，“我相信刀具公司已经放弃了这条技术途径来开发CBN涂层，而将注意力转向新的PVD硬质涂层。” CBN基复合涂层 由于采用CVD或PVD工艺涂覆CBN非常困难，因此美国NanoMech公司的首席技术专家Ajay Malshe博士和他的同事在阿肯色大学的材料与制造工程实验室采用了一种非传统的涂层方法。该方法包括两个步骤：第一步是CBN粒子的静电喷射涂层（ESC，是在电场作用下，物理喷涂呈粉末状或悬浮状的纳米颗粒和/或微米颗粒，使它们组成所需要的形状和厚度）；第二步是用化学气相沉积法沉积TiN、TiCN、TiC、氮化铪或其它传统材料。 “为什么我们不能通过激活CBN粒子来生成CBN涂层呢？”Malshe博士提出了这样的问题，他说，“正是在这一点上的突破，使我们能够沉积出CBN涂层。” Duralor公司——NanoMech公司的子公司——入驻阿肯色州Springdale科技园，开始试验应用这项技术，并开发了商标名为TuffTek的CBN基复合涂层。该公司首席执行官Bob Reed宣称：“到今年底或明年初，我们将实现部分商品化。从现在起的一年时间之内，我们将与一些大公司共同进行开发。” 工艺过程是：利用预先合成的CBN粒子，采用静电喷涂（ESC）生成1微米厚的CBN粒子涂层。这些粒子依靠较弱的静电力附着在上面。Russell说，“粒子越小越好，因为它们必须适应磁场的要求；如果这些粒子太大，就无法涂覆。”他曾经帮助阿肯色大学将CBN粒子的薄膜渗入CVD膜中，再将其粘结到复合涂层的组织里，这就是该工艺的第二步。 在第二步工艺中，采用与CVD工艺类似的化学气相渗入法，用第二种化学物质（如TiN）将这些粒子粘结到一起，并粘结到基体上。这种复合涂层含有40%～45%（体积）的CBN。据Malshe博士介绍，无论是ESC过程还是CVD过程，均很好操作，并具有可重复和可量化的特点，这对于该工艺的商业化应用非常重要。 该技术可沉积的涂层厚度最大可达100微米甚至更厚，但应用于加工的涂层厚度通常在20微米以下，这些加工主要是针对精车淬硬零件。Reed说，“眼下我们还不能面向更多的加工领域。” 在一次切削试验中，对CBN涂层的CNMG432 TuffTek刀片与PVD TiAlN涂层的同一型号刀片进行了加工性能对比。在车削硬度为50－52HRC的AISI 4340钢轴时（试验条件：切削速度150m/min，进给量0.15mm/r，切深0.25mm，加冷却液，纵车外圆），TuffTek CBN涂层刀片的性能为TiAlN涂层刀片的3倍。 在另一次车削加工A-2钢制作的压缩机轴（硬度58HRC）的切削试验中（试验条件：切削速度90m/min，进给量0.11mm/r，切深0.36mm，连续车削），TiAlN涂层刀片只能半精加工3根轴；而Duralor公司的CBN涂层刀片可半精加工9根轴，且切削刃状态仍然良好，加工节拍时间可缩短50％。 在与PCBN刀片进行比较切削试验时（试验条件：干切削硬度50－52HRC的AISI 4340钢，切削速度100m/min，进给量0.2mm/r，切深0.5mm），CBN-TiN复合涂层刀片的寿命大约为PCBN刀片的一半。 由于粘结CBN粒子的第二种化学物质有很大的选择余地，因此可使CBN基复合涂层技术与纳米结构和微米结构涂层技术共同使用，可以根据加工需要开发出各种特定结构的涂层。 CBN复合涂层刀具何时能够实现工业化生产，现在还很难说；但一旦实现了商业化，其市场规模将相当可观。Quinto博士指出，全球PCBN每年的营业额约为4.43亿美元，其中美国占有20％的份额。“CBN涂层刀具将与现有的PCBN刀具展开竞争。”他还指出，PCBN刀片的价格是CVD（和PVD）涂层刀片的5－10倍，但随着超硬刀具价格的下降，市场竞争将日趋激烈。 尽管目前还提供不出这种涂层的市场需求数据，但Reed认为，由于其应用面很广，因此市场规模会很大。 气相沉积的CBN涂层系统 除了美国Duralor公司的TuffTek CBN基复合涂层以外，德国Fraunhofer表面工程与薄膜（ITS）研究所的新型耐磨涂层部门仍在研究应用PVD或等离子辅助CVD（PCVD）工艺开发CBN涂层。该部门的Martin Keunecke博士说，“我们已经能够对形状比较简单的刀片进行涂层，但仅仅是在实验室规模下的试验性涂层。”当前的工作是要沉积厚度1微米以上的CBN涂层。 通常，所有的PVD CBN涂层都具有纳米级CBN颗粒，并有很大的压应力。Keunecke博士说，“大应力加上此类涂层对湿度的敏感性，通常会导致粘结强度低和长期稳定性差。”他还表示，PACVD工艺可以沉积较大的颗粒，但该工艺需要较高的温度，这对硬质合金基体不利，同时还要使用带有氢氟酸的氟化物，而氟化物具有很高的化学活性，会使反应炉内部几乎所有的材料，尤其是钢制的真空炉和零件（如法兰盘）受到损坏，因此该工艺很难升级到工业规模。 为了改善粘结性和稳定性，IST首先采用反应直流磁控溅射的不平衡模式对硬质合金刀片预涂一层TiAlN作为粘结层，其厚度从2微米到2.5微米，然后再沉积CBN涂层系统。该CBN涂层系统开始是在纯氩气的气氛下涂覆约1微米厚的碳化硼（B4C），接着通过递增方式改变溅射的气体，从氩气变为氩/氮混合气体，并涂覆0.1－0.2微米的B-C-N梯度涂层和CBN成核层。以递增方式改变气体可以使涂层逐渐由B4C过渡到CBN；该涂层系统的顶层是在纯氮气氛下生成的1－2微米厚的CBN。在该涂层剖面的扫描电镜照片上，从硬质合金基体以上的涂层依次为TiAlN、碳化硼、0.1－0.2微米的B-C-N梯度涂层（由于放大倍数不够，梯度层不够清晰），顶层为2微米厚的CBN涂层。Keunecke说，该涂层组合的每一层都含有碳，这有利于涂层系统的稳定；“我们获得较厚CBN涂层的工艺也使CBN涂层的粘结性和稳定性得到改善，同时又不至于显著降低内应力。” CBN涂层系统采用了射频（13.56MHz）二极管反应溅射装置，以碳化硼作为靶材，其导电性在直流溅射工艺中已足够大。Keunecke博士表示，反应溅射意味着大部分涂层是由气体（如TiAlN涂层所用的氮气）带入溅射气氛之中的。 刀具上的CBN涂层硬度约为5100HV，而TiAlN涂层的硬度只有2400HV。IST与柏林理工大学合作进行了切削试验，用CNMA 120408刀片干式车削H13钢（52HRC）的外圆，切削速度60－100m/min，进给量0.1mm/r，切深0.5mm。试验报告显示：与TiAlN单层涂层相比，即使在较高的切削速度下，CBN涂层系统刀片的寿命也为前者的两倍以上，可见两者的性能有着显著差别。但是，必须承认，在经过一定的切削时间以后，后刀面磨损带的宽度增加得非常快，这意味着大部分超硬涂层已被磨损掉了。因此，为了进一步提高刀具性能，还必须增加涂层系统中CBN部分的厚度。 Keunecke博士认为，由TiAlN、B4C、B-C-N和CBN复合的涂层系统能够达到的刀具寿命约为PCBN复合片的80％。 如果这项技术能扩大到工业规模并使CBN基复合涂层刀具获得工业应用，将是IST的专有技术。Keunecke博士预测，“如果我们能够生成CBN涂层，并具有与PCBN相当的刀具寿命，那么，虽然这种涂层工艺相当复杂，但仍然可大幅度降低刀具成本。”(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/23/2010)