立方氮化硼涂层刀具制备及切削性能研究现状

涂禄强，徐锋，田帅，许晨辉，王雪，高继业，左敦稳

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016 )

0 引言

超高强度钢、复合材料以及工程陶瓷等难加工材料凭借其耐高温、抗磨损等优异性能而应用于现代航空工业。但是，这些难加工材料在切削过程中加工刀具必须承受苛刻的高速、高温、重载以及冲击等多因素耦合作用，导致了切削刀具寿命短和加工效率低等问题[1]。因此，难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、高化学稳定性及优异的摩擦磨损性能等。然而，高速钢和硬质合金等传统刀具材料已经无法胜任这些难加工材料的高效精密加工要求[2]。

立方氮化硼(cubic boron nitride, cBN)是一种硬度和热导率仅次于金刚石的超硬材料[3]。但是在加工黑色金属方面，其热稳定性和化学惰性则远优于金刚石，1200℃ 以下加工黑色金属时化学性能非常稳定，使其弥补了金刚石刀具在加工黑色金属方面的不足[4]。因此，cBN成为了加工高温合金和高强度钢等黑色金属理想的刀具材料。目前，商用的cBN刀具是通过高温高压技术制备的PcBN，由于其制备工艺复杂、价格昂贵等因素，使得人们试图寻求一种低成本、高灵活性的cBN刀具制备技术[5]。

cBN涂层技术克服了商用PcBN不适应制备复杂形状刀具的缺点，在高效高精密加工航空复杂形状零件方面具有独特的优势。然而cBN涂层在制备过程中的涂层厚度、膜基结合性能等因素制约了其在切削加工领域的工业化应用。

1 cBN性质及应用

立方氮化硼与金刚石性能对比如表1所示[6]。

表1 cBN与金刚石性能对比

cBN优异的物化性质使其在机械加工、摩擦领域、光学及电子元器件等方面的应用具有广阔的发展前景[3]。

1) 机械加工

在机械加工领域，cBN主要用作切削刀具。cBN的硬度和热导率仅次于金刚石，对铁族元素及其合金有优良的化学惰性，在真空或氩气中直到1350℃～1400℃才与铁、镍、钴反应，与铁合金或镍合金在1250℃～1300℃反应，而金刚石在600℃以上与铁接触则很容易被氧化或石墨化。cBN优异的力学性能使其在难加工材料和结构加工方面具有独特的优势。

2) 摩擦领域

cBN凭借其高硬度和低摩擦系数及可涂层零件表面以增强其耐磨性和使用寿命。cBN涂层的摩擦磨损性能对涂层器件的加工性能、使用寿命以及被加工或对磨工件的表面质量均具有决定性的影响。因此，开展cBN涂层摩擦磨损性能研究具有重大的实用价值。

3) 光学及电子元器件

与金刚石相比，cBN具有更宽的禁带宽度，可实现p型和n型掺杂，对于制造高温、大功率、抗辐射及在极端恶劣环境中工作的电子元器件具有重大意义。cBN从可见光到红外光范围内有良好的透光性，加上其化学性质非常稳定，不易被氧化，因此适合作精密光学仪器窗口的保护层，如硒化锌、硫化锌窗口的表面涂层。cBN具有高的热导率、低介电常数、良好的化学和热稳定性，与GaAs、Si相近的热膨胀系数，因此是一种优异的集成电路热沉材料。另外，cBN具有负的电子亲和势，是一种很好的场发射材料，在大面积平板显示领域有广阔的应用前景。

2 cBN涂层刀具制备及切削性能研究

1) cBN直接生长于WC:Co

IKEDA等[7]基于电弧等离子体增强离子镀技术， 在温度为350℃下，直接在WC刀具基体上成功制备出cBN涂层。YU等[8]通过直流等离子体增强化学气相沉积法(DC-PECVD)，在温度为1050℃条件下，直接在WC刀具基体上成功制备出cBN涂层。然而在涂层制备过程中，WC刀具基体中的钴(Co)粘结剂与氮气(N2)极易反应形成氮化钴；而氮化钴极易抑制cBN的形核和生长，导致生长的cBN纯度较低。

为提高cBN的纯度，TEII和MATSUMOTO等[9-10]采用两步法对WC基体表面进行预处理(酸洗WC表面、机械抛光和氢等离子体刻蚀)以减小Co对cBN生长的抑制。分析了WC 刀具表面粗糙度对制备cBN涂层的生长速率和纯度的影响。结果表明，对刀具表面做适当的粗糙化处理可提高cBN涂层的生长速率和立方相的含量。采用氟化学辅助的电感耦合等离子体化学气相沉积技术(ICP-CVD)直接在WC基体上制备得到约2μm的cBN涂层，其立方相含量达70%。但并未对制备的cBN涂层进行切削性能测试方面研究。

2) 引入过渡层

为减小内应力，提高涂层膜基结合性能，增加cBN涂层厚度。M. Okamoto 等[11]以硼(B)为过渡层，通过电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积技术(ECR-MPCVD)，并增加负偏压辅助，在WC 基体上成功制备出约150nm的cBN涂层。 过渡层B填补了离子轰击对WC表面造成的不平坦区域，为cBN的形核和生长提供了良好的条件。 SETSUHARA 等[12]基于离子束辅助沉积技术(IBAD)，引入B(1700nm)作为过渡层，在WC上制备得到约700nm的cBN涂层。与无过渡层的cBN涂层相比，其应力可减小到0.25GPa；通过纳米压痕测试得到制备的cBN涂层硬度达60GPa，弹性模量320GPa。

由于B具有高度活化性，暴露在空气中易形成硼氧化物进而导致涂层脱落。BEWILOGUAA 和KEUNECKE 等[13]以B-C-N为过渡层，采用射频二极管溅射技术，在WC刀具上成功制备约0.8μm的cBN涂层。高温试验结果表明，在900℃温度下，涂层有明显脱落；通过车削灰铸铁(30HRC)试验研究了后刀面磨损宽度随切削时间变化，结果表明：切削时间大约在75s时磨损曲线急剧上升，推断其原因可能是cBN涂层脱落。

为提高涂层与基体之间的结合性能，KEUNECKE等[14]又以TiN和TiAlN为过渡层，利用射频二极管溅射技术，成功在WC刀具基体上制备约1μm的cBN涂层。随后用制备的cBN涂层刀具车削H13淬硬钢(52HRC)试验，主要研究后刀面磨损宽度随切削时间变化。磨损曲线表明，与TiAlN和TiN涂层刀具相比，cBN涂层刀具具有更长寿命，更好切削性能。然而，在车削一定时间后，磨损曲线急剧上升，推断其原因可能是涂层磨尽。为增加cBN涂层的厚度，UHLMANN 等[15]以TiAlN-B4C-BCN为过渡层，利用物理气相沉积(PVD)技术，在WC上成功制备约1.4 μm的cBN涂层。随后进行车削Inconel 718 (43HRC)试验，主要研究了后刀面磨损宽度随切削时间变化、切削力和已加工表面粗糙度。结果表明，与TiAlN涂层相比，cBN涂层刀具具有更小的切削力，更好的加工表面质量以及更长的刀具寿命。

为改善制备的cBN涂层质量，STEIN 等[16]在过渡层TiAlN中加入合金元素Cr、Si等，通过射频二极管溅射技术，以TiAlN/CrTiAlN/ CrTiAlSiN-B4C-BCN为过渡层，在WC刀具上成功制备约1.1μm的cBN涂层。高温试验结果表明，在温度为900℃ ～1000℃ 时制备的cBN涂层仍具备良好热稳定性。JIANG等[17-20]基于静电喷涂(ESC) 和化学气相渗透(CVI) 技术在WC刀具基体上成功制备约1μm的cBN-TiN复合涂层，并进行加工淬硬钢AISI4140(52HRC)试验，主要研究了切削速度和进给量对切削力、工件已加工表面粗糙度影响，分析了刀具磨损形貌和刀具寿命，研究了刀具后刀面磨损随切削时间变化和加工成本。结果表明， cBN-TiN复合涂层加工的工件表面粗糙度为Ra0.5～0.7μm ，可比拟研磨加工(0.1～1.6μm)的表面质量；刀具的前刀面主要发生月牙洼磨损，切削刃伴随积屑瘤，后刀面主要以磨料磨损为主，但并未对磨损区进行深入的质量分数分析(是否存在扩散磨损)。与PcBN刀具相比，cBN-TiN复合涂层WC刀具在已加工表面粗糙度、耐磨性、加工成本方面具有明显的优势；但在刀具寿命和切削力方面稍有不足，推断其原因可能是刀具几何角度等的差异[19]。 之后JIANG[18]等又对参数进行优化，以PVD TiAlN涂层WC刀具和PcBN刀具作对比，又进行干式车削AISI4140(52HRC)试验，主要研究后刀面磨损宽度随切削时间变化，结果表明，制备的cBN-TiN复合涂层具有更高的耐磨性和更长的刀具寿命。

ZHANG等[21-22]的研究已证明了金刚石是生长cBN最佳的衬底材料，可实现在金刚石上直接生长或异质外延生长cBN。

MATSUMOTO和ZHANG等[23]通过氟化学辅助的电子回旋共振等离子体增强化学气相沉积(ECR-MPCVD) 技术，以金刚石为过渡层，已经成功在Si上制备出高质量(纯度约90% 纳米晶)、大厚度(约20μm)、低残余应力(1～2 GPa)的cBN涂层。

基于氟化学辅助的 ECR-MPCVD 技术，BELLO和ZHANG 等[24]，对WC刀具表面进行去钴化预处理，以纳米金刚石为过渡层，在WC刀具基体上成功制备约1μm的cBN涂层。模具钢(25HRC)铣削试验结果表明，cBN/金刚石涂层从WC刀具基体上脱落。为增强金刚石与WC基体的结合强度，CHONG和ZHANG等[25]对WC表面Co的预处理工艺参数进行优化，以金刚石为过渡层，成功在硬质合金(WC:Co)刀片上制备出约2.8μm的cBN涂层。随后对制备的cBN涂层进行纳米压痕测试，其硬度达70GPa。

尽管对WC:Co刀具表面进行化学刻蚀，但在金刚石制备中仍会有Co向金刚石-WC基体界面扩散催化金刚石石墨化，从而削弱涂层与基体的结合强度。为了规避此问题，XU等[26]选择Si3N4刀具基体，以掺硼金刚石为过渡层，采用ECR-MPCVD技术成功制备出约2.2μm的cBN涂层。并对制备的cBN涂层进行纳米压痕和摩擦磨损测试研究；结果表明，制备的cBN涂层硬度达78 GPa，摩擦系数0.17，具有优异的耐磨性能。

3) 多层膜交替生长模型

为降低残余应力，增强涂层与基体的结合性能。 有研究者尝试采用“多层膜交替生长模型” 以缓解界面的热应力累积导致涂层脱落问题，增加cBN涂层的总厚度。

LI等[27]基于磁控溅射和微波等离子体增强化学气相沉积技术，以纳米金刚石 (ND，2.5μm)为过渡层，在Si上成功制备出交替3层，总厚度约达500nm的ND-cBN(100nm+100nm)纳米多层膜结构。力学性能测试研究结果表明，与等厚度单层cBN相比，其硬度大幅提高，内应力显著降低。然未见其在刀具基体上交替生长ND-cBN多层膜的报道。

PARK和KEUNECKE 等[28]基于射频二极管溅射技术，以TiAlN(2.5μm)为过渡层，在WC刀具基体上成功制备出交替2层，总厚度约达4μm的B4C-cBN(1μm+1μm)多层膜结构。随后对制备的cBN涂层进行力学性能测试，得到cBN涂层的硬度达65GPa，却仍未见其有关切削性能测试的报道。

3 结语

cBN是一种具有巨大发展潜力的超硬涂层刀具材料。今后可从以下几方面进行研究：

1) 刀具基体

切削加工处于一个高温、高压、大应变等热力耦合工况，所以刀具基体必须兼具高硬度、高刚度、高韧性、良好热稳定性等。目前，大多数cBN涂层刀具的基体为WC:Co，其具有良好的韧性、强度、刚度，但硬度和热稳定性不足。直接生长cBN必须对其表面进行去钴化等相关的预处理工艺。其次是Si3N4，具有高的硬度和热稳定性，但韧性、刚度不足且是绝缘体。可探索一种刀具基体的性能介于WC:Co和Si3N4之间，兼具高硬度、韧性、热稳定性和导电性。

2) 过渡层

过渡层材料的性能介于基体和涂层材料之间，起到缓解基体与涂层之间较大性能差异导致的内应力累积问题。目前，应用较多的过渡层是TiAlN(TiN)和金刚石。在WC:Co基体与cBN涂层之间主要是TiAlN，TiN(Cr，Si)。与金刚石作过渡层比，其硬度较低，具有一定的韧性，可以缓解应力积累；其次，可避免金刚石沉积中Co催化形成石墨的问题。

3) 功能梯度多层膜交替生长模型

交替生长多层膜结构可以缓解热应力累积导致的涂层脱落问题，通过涂层结构、界面和制备工艺参数的优化设计，合理控制每层膜的厚度，可实现功能梯度的多层膜结构。在不显著影响涂层性能前提下增加cBN的总厚度，以提高涂层刀具的使用寿命。

4) 纳米或超纳米结构

根据Hall-petch 理论[29]，当物质的晶粒尺寸处于纳米或超纳米级，会出现性能反常现象。已有研究报道用高温高压法制备得到纳米孪晶cBN[30-31]，其具有异乎寻常的硬度和刚度。通过优化涂层制备工艺参数和涂层结构，可实现纳米或超纳米cBN，此时的cBN兼具高硬度和强韧性，不仅耐磨还具有抵抗大变形能力，可显著提高刀具的使用寿命。

5) 先进的制备技术和工艺参数优化

在涂层的制备方法中，目前各种PVD和CVD法，增加辅助技术，比如，电感耦合等离子体(ICP)、电子回旋共振(ECR)、高功率脉冲磁控溅射(HiPIMS)、阳极源等并进行制备工艺参数优化，可显著提高涂层制备效率和质量。

6) 切削性能和机理研究

在制备得到cBN涂层刀具后，进行刀具切削性能评价(切削力、切削温度、已加工表面粗糙度)的试验研究；开展刀具磨损试验研究，探索cBN涂层刀具的磨损机理，为cBN涂层刀具的工业化应用提供理论基础。