立方氮化硼涂層刀具制備及切削性能研究現(xiàn)狀

涂祿強(qiáng)，徐鋒，田帥，許晨輝，王雪，高繼業(yè)，左敦穩(wěn)

(南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016 )

0 引言

超高強(qiáng)度鋼、復(fù)合材料以及工程陶瓷等難加工材料憑借其耐高溫、抗磨損等優(yōu)異性能而應(yīng)用于現(xiàn)代航空工業(yè)。但是，這些難加工材料在切削過程中加工刀具必須承受苛刻的高速、高溫、重載以及沖擊等多因素耦合作用，導(dǎo)致了切削刀具壽命短和加工效率低等問題[1]。因此，難加工材料的高效切削加工需要刀具材料兼具高硬度、高耐磨性、高化學(xué)穩(wěn)定性及優(yōu)異的摩擦磨損性能等。然而，高速鋼和硬質(zhì)合金等傳統(tǒng)刀具材料已經(jīng)無法勝任這些難加工材料的高效精密加工要求[2]。

立方氮化硼(cubic boron nitride, cBN)是一種硬度和熱導(dǎo)率僅次于金剛石的超硬材料[3]。但是在加工黑色金屬方面，其熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性則遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石，1200℃ 以下加工黑色金屬時(shí)化學(xué)性能非常穩(wěn)定，使其彌補(bǔ)了金剛石刀具在加工黑色金屬方面的不足[4]。因此，cBN成為了加工高溫合金和高強(qiáng)度鋼等黑色金屬理想的刀具材料。目前，商用的cBN刀具是通過高溫高壓技術(shù)制備的PcBN，由于其制備工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴等因素，使得人們?cè)噲D尋求一種低成本、高靈活性的cBN刀具制備技術(shù)[5]。

cBN涂層技術(shù)克服了商用PcBN不適應(yīng)制備復(fù)雜形狀刀具的缺點(diǎn)，在高效高精密加工航空復(fù)雜形狀零件方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。然而cBN涂層在制備過程中的涂層厚度、膜基結(jié)合性能等因素制約了其在切削加工領(lǐng)域的工業(yè)化應(yīng)用。

1 cBN性質(zhì)及應(yīng)用

立方氮化硼與金剛石性能對(duì)比如表1所示[6]。

表1 cBN與金剛石性能對(duì)比

cBN優(yōu)異的物化性質(zhì)使其在機(jī)械加工、摩擦領(lǐng)域、光學(xué)及電子元器件等方面的應(yīng)用具有廣闊的發(fā)展前景[3]。

1) 機(jī)械加工

在機(jī)械加工領(lǐng)域，cBN主要用作切削刀具。cBN的硬度和熱導(dǎo)率僅次于金剛石，對(duì)鐵族元素及其合金有優(yōu)良的化學(xué)惰性，在真空或氬氣中直到1350℃～1400℃才與鐵、鎳、鈷反應(yīng)，與鐵合金或鎳合金在1250℃～1300℃反應(yīng)，而金剛石在600℃以上與鐵接觸則很容易被氧化或石墨化。cBN優(yōu)異的力學(xué)性能使其在難加工材料和結(jié)構(gòu)加工方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

2) 摩擦領(lǐng)域

cBN憑借其高硬度和低摩擦系數(shù)及可涂層零件表面以增強(qiáng)其耐磨性和使用壽命。cBN涂層的摩擦磨損性能對(duì)涂層器件的加工性能、使用壽命以及被加工或?qū)δスぜ谋砻尜|(zhì)量均具有決定性的影響。因此，開展cBN涂層摩擦磨損性能研究具有重大的實(shí)用價(jià)值。

3) 光學(xué)及電子元器件

與金剛石相比，cBN具有更寬的禁帶寬度，可實(shí)現(xiàn)p型和n型摻雜，對(duì)于制造高溫、大功率、抗輻射及在極端惡劣環(huán)境中工作的電子元器件具有重大意義。cBN從可見光到紅外光范圍內(nèi)有良好的透光性，加上其化學(xué)性質(zhì)非常穩(wěn)定，不易被氧化，因此適合作精密光學(xué)儀器窗口的保護(hù)層，如硒化鋅、硫化鋅窗口的表面涂層。cBN具有高的熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)、良好的化學(xué)和熱穩(wěn)定性，與GaAs、Si相近的熱膨脹系數(shù)，因此是一種優(yōu)異的集成電路熱沉材料。另外，cBN具有負(fù)的電子親和勢(shì)，是一種很好的場(chǎng)發(fā)射材料，在大面積平板顯示領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

2 cBN涂層刀具制備及切削性能研究

1) cBN直接生長(zhǎng)于WC:Co

IKEDA等[7]基于電弧等離子體增強(qiáng)離子鍍技術(shù)， 在溫度為350℃下，直接在WC刀具基體上成功制備出cBN涂層。YU等[8]通過直流等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法(DC-PECVD)，在溫度為1050℃條件下，直接在WC刀具基體上成功制備出cBN涂層。然而在涂層制備過程中，WC刀具基體中的鈷(Co)粘結(jié)劑與氮?dú)?N2)極易反應(yīng)形成氮化鈷；而氮化鈷極易抑制cBN的形核和生長(zhǎng)，導(dǎo)致生長(zhǎng)的cBN純度較低。

為提高cBN的純度，TEII和MATSUMOTO等[9-10]采用兩步法對(duì)WC基體表面進(jìn)行預(yù)處理(酸洗WC表面、機(jī)械拋光和氫等離子體刻蝕)以減小Co對(duì)cBN生長(zhǎng)的抑制。分析了WC 刀具表面粗糙度對(duì)制備cBN涂層的生長(zhǎng)速率和純度的影響。結(jié)果表明，對(duì)刀具表面做適當(dāng)?shù)拇植诨幚砜商岣遚BN涂層的生長(zhǎng)速率和立方相的含量。采用氟化學(xué)輔助的電感耦合等離子體化學(xué)氣相沉積技術(shù)(ICP-CVD)直接在WC基體上制備得到約2μm的cBN涂層，其立方相含量達(dá)70%。但并未對(duì)制備的cBN涂層進(jìn)行切削性能測(cè)試方面研究。

2) 引入過渡層

為減小內(nèi)應(yīng)力，提高涂層膜基結(jié)合性能，增加cBN涂層厚度。M. Okamoto 等[11]以硼(B)為過渡層，通過電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)(ECR-MPCVD)，并增加負(fù)偏壓輔助，在WC 基體上成功制備出約150nm的cBN涂層。 過渡層B填補(bǔ)了離子轟擊對(duì)WC表面造成的不平坦區(qū)域，為cBN的形核和生長(zhǎng)提供了良好的條件。 SETSUHARA 等[12]基于離子束輔助沉積技術(shù)(IBAD)，引入B(1700nm)作為過渡層，在WC上制備得到約700nm的cBN涂層。與無過渡層的cBN涂層相比，其應(yīng)力可減小到0.25GPa；通過納米壓痕測(cè)試得到制備的cBN涂層硬度達(dá)60GPa，彈性模量320GPa。

由于B具有高度活化性，暴露在空氣中易形成硼氧化物進(jìn)而導(dǎo)致涂層脫落。BEWILOGUAA 和KEUNECKE 等[13]以B-C-N為過渡層，采用射頻二極管濺射技術(shù)，在WC刀具上成功制備約0.8μm的cBN涂層。高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，在900℃溫度下，涂層有明顯脫落；通過車削灰鑄鐵(30HRC)試驗(yàn)研究了后刀面磨損寬度隨切削時(shí)間變化，結(jié)果表明：切削時(shí)間大約在75s時(shí)磨損曲線急劇上升，推斷其原因可能是cBN涂層脫落。

為提高涂層與基體之間的結(jié)合性能，KEUNECKE等[14]又以TiN和TiAlN為過渡層，利用射頻二極管濺射技術(shù)，成功在WC刀具基體上制備約1μm的cBN涂層。隨后用制備的cBN涂層刀具車削H13淬硬鋼(52HRC)試驗(yàn)，主要研究后刀面磨損寬度隨切削時(shí)間變化。磨損曲線表明，與TiAlN和TiN涂層刀具相比，cBN涂層刀具具有更長(zhǎng)壽命，更好切削性能。然而，在車削一定時(shí)間后，磨損曲線急劇上升，推斷其原因可能是涂層磨盡。為增加cBN涂層的厚度，UHLMANN 等[15]以TiAlN-B4C-BCN為過渡層，利用物理氣相沉積(PVD)技術(shù)，在WC上成功制備約1.4 μm的cBN涂層。隨后進(jìn)行車削Inconel 718 (43HRC)試驗(yàn)，主要研究了后刀面磨損寬度隨切削時(shí)間變化、切削力和已加工表面粗糙度。結(jié)果表明，與TiAlN涂層相比，cBN涂層刀具具有更小的切削力，更好的加工表面質(zhì)量以及更長(zhǎng)的刀具壽命。

為改善制備的cBN涂層質(zhì)量，STEIN 等[16]在過渡層TiAlN中加入合金元素Cr、Si等，通過射頻二極管濺射技術(shù)，以TiAlN/CrTiAlN/ CrTiAlSiN-B4C-BCN為過渡層，在WC刀具上成功制備約1.1μm的cBN涂層。高溫試驗(yàn)結(jié)果表明，在溫度為900℃ ～1000℃ 時(shí)制備的cBN涂層仍具備良好熱穩(wěn)定性。JIANG等[17-20]基于靜電噴涂(ESC) 和化學(xué)氣相滲透(CVI) 技術(shù)在WC刀具基體上成功制備約1μm的cBN-TiN復(fù)合涂層，并進(jìn)行加工淬硬鋼AISI4140(52HRC)試驗(yàn)，主要研究了切削速度和進(jìn)給量對(duì)切削力、工件已加工表面粗糙度影響，分析了刀具磨損形貌和刀具壽命，研究了刀具后刀面磨損隨切削時(shí)間變化和加工成本。結(jié)果表明， cBN-TiN復(fù)合涂層加工的工件表面粗糙度為Ra0.5～0.7μm ，可比擬研磨加工(0.1～1.6μm)的表面質(zhì)量；刀具的前刀面主要發(fā)生月牙洼磨損，切削刃伴隨積屑瘤，后刀面主要以磨料磨損為主，但并未對(duì)磨損區(qū)進(jìn)行深入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析(是否存在擴(kuò)散磨損)。與PcBN刀具相比，cBN-TiN復(fù)合涂層WC刀具在已加工表面粗糙度、耐磨性、加工成本方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)；但在刀具壽命和切削力方面稍有不足，推斷其原因可能是刀具幾何角度等的差異[19]。 之后JIANG[18]等又對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以PVD TiAlN涂層WC刀具和PcBN刀具作對(duì)比，又進(jìn)行干式車削AISI4140(52HRC)試驗(yàn)，主要研究后刀面磨損寬度隨切削時(shí)間變化，結(jié)果表明，制備的cBN-TiN復(fù)合涂層具有更高的耐磨性和更長(zhǎng)的刀具壽命。

ZHANG等[21-22]的研究已證明了金剛石是生長(zhǎng)cBN最佳的襯底材料，可實(shí)現(xiàn)在金剛石上直接生長(zhǎng)或異質(zhì)外延生長(zhǎng)cBN。

MATSUMOTO和ZHANG等[23]通過氟化學(xué)輔助的電子回旋共振等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(ECR-MPCVD) 技術(shù)，以金剛石為過渡層，已經(jīng)成功在Si上制備出高質(zhì)量(純度約90% 納米晶)、大厚度(約20μm)、低殘余應(yīng)力(1～2 GPa)的cBN涂層。

基于氟化學(xué)輔助的 ECR-MPCVD 技術(shù)，BELLO和ZHANG 等[24]，對(duì)WC刀具表面進(jìn)行去鈷化預(yù)處理，以納米金剛石為過渡層，在WC刀具基體上成功制備約1μm的cBN涂層。模具鋼(25HRC)銑削試驗(yàn)結(jié)果表明，cBN/金剛石涂層從WC刀具基體上脫落。為增強(qiáng)金剛石與WC基體的結(jié)合強(qiáng)度，CHONG和ZHANG等[25]對(duì)WC表面Co的預(yù)處理工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，以金剛石為過渡層，成功在硬質(zhì)合金(WC:Co)刀片上制備出約2.8μm的cBN涂層。隨后對(duì)制備的cBN涂層進(jìn)行納米壓痕測(cè)試，其硬度達(dá)70GPa。

盡管對(duì)WC:Co刀具表面進(jìn)行化學(xué)刻蝕，但在金剛石制備中仍會(huì)有Co向金剛石-WC基體界面擴(kuò)散催化金剛石石墨化，從而削弱涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。為了規(guī)避此問題，XU等[26]選擇Si3N4刀具基體，以摻硼金剛石為過渡層，采用ECR-MPCVD技術(shù)成功制備出約2.2μm的cBN涂層。并對(duì)制備的cBN涂層進(jìn)行納米壓痕和摩擦磨損測(cè)試研究；結(jié)果表明，制備的cBN涂層硬度達(dá)78 GPa，摩擦系數(shù)0.17，具有優(yōu)異的耐磨性能。

3) 多層膜交替生長(zhǎng)模型

為降低殘余應(yīng)力，增強(qiáng)涂層與基體的結(jié)合性能。 有研究者嘗試采用“多層膜交替生長(zhǎng)模型” 以緩解界面的熱應(yīng)力累積導(dǎo)致涂層脫落問題，增加cBN涂層的總厚度。

LI等[27]基于磁控濺射和微波等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)，以納米金剛石 (ND，2.5μm)為過渡層，在Si上成功制備出交替3層，總厚度約達(dá)500nm的ND-cBN(100nm+100nm)納米多層膜結(jié)構(gòu)。力學(xué)性能測(cè)試研究結(jié)果表明，與等厚度單層cBN相比，其硬度大幅提高，內(nèi)應(yīng)力顯著降低。然未見其在刀具基體上交替生長(zhǎng)ND-cBN多層膜的報(bào)道。

PARK和KEUNECKE 等[28]基于射頻二極管濺射技術(shù)，以TiAlN(2.5μm)為過渡層，在WC刀具基體上成功制備出交替2層，總厚度約達(dá)4μm的B4C-cBN(1μm+1μm)多層膜結(jié)構(gòu)。隨后對(duì)制備的cBN涂層進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，得到cBN涂層的硬度達(dá)65GPa，卻仍未見其有關(guān)切削性能測(cè)試的報(bào)道。

3 結(jié)語

cBN是一種具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ某餐繉拥毒卟牧?。今后可從以下幾方面進(jìn)行研究：

1) 刀具基體

切削加工處于一個(gè)高溫、高壓、大應(yīng)變等熱力耦合工況，所以刀具基體必須兼具高硬度、高剛度、高韌性、良好熱穩(wěn)定性等。目前，大多數(shù)cBN涂層刀具的基體為WC:Co，其具有良好的韌性、強(qiáng)度、剛度，但硬度和熱穩(wěn)定性不足。直接生長(zhǎng)cBN必須對(duì)其表面進(jìn)行去鈷化等相關(guān)的預(yù)處理工藝。其次是Si3N4，具有高的硬度和熱穩(wěn)定性，但韌性、剛度不足且是絕緣體。可探索一種刀具基體的性能介于WC:Co和Si3N4之間，兼具高硬度、韌性、熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性。

2) 過渡層

過渡層材料的性能介于基體和涂層材料之間，起到緩解基體與涂層之間較大性能差異導(dǎo)致的內(nèi)應(yīng)力累積問題。目前，應(yīng)用較多的過渡層是TiAlN(TiN)和金剛石。在WC:Co基體與cBN涂層之間主要是TiAlN，TiN(Cr，Si)。與金剛石作過渡層比，其硬度較低，具有一定的韌性，可以緩解應(yīng)力積累；其次，可避免金剛石沉積中Co催化形成石墨的問題。

3) 功能梯度多層膜交替生長(zhǎng)模型

交替生長(zhǎng)多層膜結(jié)構(gòu)可以緩解熱應(yīng)力累積導(dǎo)致的涂層脫落問題，通過涂層結(jié)構(gòu)、界面和制備工藝參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，合理控制每層膜的厚度，可實(shí)現(xiàn)功能梯度的多層膜結(jié)構(gòu)。在不顯著影響涂層性能前提下增加cBN的總厚度，以提高涂層刀具的使用壽命。

4) 納米或超納米結(jié)構(gòu)

根據(jù)Hall-petch 理論[29]，當(dāng)物質(zhì)的晶粒尺寸處于納米或超納米級(jí)，會(huì)出現(xiàn)性能反?，F(xiàn)象。已有研究報(bào)道用高溫高壓法制備得到納米孿晶cBN[30-31]，其具有異乎尋常的硬度和剛度。通過優(yōu)化涂層制備工藝參數(shù)和涂層結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)納米或超納米cBN，此時(shí)的cBN兼具高硬度和強(qiáng)韌性，不僅耐磨還具有抵抗大變形能力，可顯著提高刀具的使用壽命。

5) 先進(jìn)的制備技術(shù)和工藝參數(shù)優(yōu)化

在涂層的制備方法中，目前各種PVD和CVD法，增加輔助技術(shù)，比如，電感耦合等離子體(ICP)、電子回旋共振(ECR)、高功率脈沖磁控濺射(HiPIMS)、陽極源等并進(jìn)行制備工藝參數(shù)優(yōu)化，可顯著提高涂層制備效率和質(zhì)量。

6) 切削性能和機(jī)理研究

在制備得到cBN涂層刀具后，進(jìn)行刀具切削性能評(píng)價(jià)(切削力、切削溫度、已加工表面粗糙度)的試驗(yàn)研究；開展刀具磨損試驗(yàn)研究，探索cBN涂層刀具的磨損機(jī)理，為cBN涂層刀具的工業(yè)化應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。