c-BN涂层及其在刀具上的应用

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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(Ø500mm×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。
c-BN与金刚石的性能对比表
性能 c-BN 金刚石
晶体结构 闪锌矿 金刚石
晶格常数(?) 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/℃)		 4.7 3.1
化学稳定性 与Fe系金属不反应，大气中至1000℃不氧化 与Fe系金属反应，大气中600℃以上氧化
热稳定性 真空中，温度至1550℃才发生从c-BN至h-BN的相变 真空中，温度超过1300℃，金刚石开始向石墨转变
c-BN(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(c-BN与金刚石的性能对比见右表)。与金刚石不适合加工钢铁材料不同，c-BN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。c-BN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。
c-BN并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成c-BN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 c-BN细小粉末，仅能用作磨料和聚晶c-BN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c-BN制备技术。
2 c-BN涂层的制备方法
BN具有三种异构体，即h-BN、c-BN和w-BN。h-BN(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c-BN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c-BN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c-BN，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。
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    图1 等离子体增强脉冲激光沉积装置
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    图2 热丝辅助射频等离子体CVD装置

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