超硬材料網

　　摘要：介紹了CBN的性能和制備cBN涂層的方法(等離子體增強脈沖激光沉積法和熱絲輔助射頻等離子體CVD法)；簡述了cBN涂層的研究現狀及其發展前景；通過等離子體增強脈沖激光沉積法制備cBN涂層的試驗結果，認為增強cBN涂層與刀具基體的結合力是將cBN涂層用作刀具涂層必須解決的問題。
　　
　　隨著現代切削技術的發展，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(500mm×100mm)需用時約100分鐘，20世紀50年代采用硬質合金刀具后，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，增加潤滑能力，提高切削速度，減少換刀次數，提高被加工零件的精度和表面質量，從而提高生產效率。目前，在工業發達國家，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、開發新的涂層刀具材料具有重大意義。
　　
　　1.CBN的性能特點
　　
　　CBN(CubicBoronNitride,立方氮化硼)是繼人工合成金剛石之后出現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、低熱膨脹系數等，同時還具有一些優于金剛石的特性(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除具有優良的耐磨損性能外，其耐熱性也極為優良，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SiAl合金等難加工材料。
　　
　　CBN與金剛石的性能對比
　　
　　 性能――CBN――金剛石
　　
　　 晶體結構――閃鋅礦――金剛石
　　
　　 晶格常數(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(×10的-6次方/℃)――4.7――3.1
　　
　　化學穩定性――與Fe系金屬不反應，大氣中至1000℃不氧化――與Fe系金屬反應，大氣中600℃以上氧化
　　
　　熱穩定性――真空中，溫度至1550℃才發生從cBN至hBN的相變――真空中，溫度超過1300℃，金剛石開始向石墨轉變
　　
　　CBN并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成cBN的傳統方法是高溫高壓法。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。因此迫切需要開發價格更低、質量更高的cBN制備技術。
　　
　　2.CBN涂層的制備方法
　　
　　CBN具有三種異構體，即hBN、cBN和wBN。hBN(六方氮化硼)具有與石墨極為相似的結構，又稱為“白色石墨”，質地也很軟；而cBN的結構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。