开发cBN 涂层技术难点

开发cBN 涂层技术难点

据长期从事切削刀具涂层技术研究的Denn isT. Quin to 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: 一生成具有正确键结构的纳米晶晶核, 并且随后能够生长为最终结晶微观组织; 二涂层能与基体牢固粘结, 这也是作为刀具涂层难题所在。

Quin to 博士指出, 与PCD涂层只有一种碳元素不同, cBN材料由硼氮两种元素组成, 因此生成cBN 涂层难度大得多。为了生成具有很高硬度涂层, 这两种物质原子必须形成特定、称为sp3立方键结构, 以获得热动态稳定相。否则其原子就可能形成六方相, 尽管它也很稳定, 但那软石墨相。CVD 工艺1000℃左右高温下, 原子活动能力强, 可移动距离大, 容易排列成sp3结构。可CVD技术似乎本质上就不适合cBN 涂层, 而采用等离子辅助PVD 工艺实验室条件下也只能沉积出最厚1 微米cBN , 而要作为一种实用硬质膜, 这一厚度太薄了。

此外, PVD 工艺约500℃低温下, 原子活动能力较弱, 一方面只能形成较小纳米晶核, 甚至几乎不能长大成为晶粒, 正如Quin to 博士所说,“cBN 成核与金刚石成核不同, 它需要更多能量或更高能量离子碰撞, 以形成sp 3 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涂层正常现象, 而且PVD 涂层生成残余应力为压应力, 如果控制得好, 它对抑制裂纹产生扩展有利。但, 对于cBN 涂层来说, 这种内应力太大, 反而成为开发功能性cBN 涂层主要障碍。Quin to 博士指出, 如果残余应力不恰当地出现在涂层与基体界面上, 那么随着沉积厚度增加, 涂层就会自发地破碎。

为了减小过大残余应力, 科研人员涂层与基体之间设计了一个过渡层, 或者涂层工艺增加退火操作, 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。

基体类型也会影响cBN 涂层粘结强度大小, 如果基体材料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。”