1糜曲、引言 隨著現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展,金屬切除率不斷提高茧痕。1900年,用碳素工具鋼刀具車削標(biāo)準(zhǔn)鋼棒(?500mm×100mm)需用時約100分鐘,20世紀(jì)50年代采用硬質(zhì)合金刀具后,加工時間縮短為幾分鐘榛覆。1969年開始采用涂層硬質(zhì)合金刀具,最初用涂層刀片切削標(biāo)準(zhǔn)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区为。通過對加工過程進行分析可知,要提高切削速度喇纬、降低切削成本,在所有加工因素中最經(jīng)濟的辦法就是應(yīng)用新型刀具材料。

刀具表面涂層是提高刀具壽命嫂衅、降低切削成本的有效手段凯书。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(shù),增加潤滑能力,提高切削速度,減少換刀次數(shù),提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量,從而提高生產(chǎn)效率。目前,在工業(yè)發(fā)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(yīng)用灌龄、開發(fā)新的涂層刀具材料具有重大意義咬恨。

c-BN(Cubic Boron Nitride,立方氮化硼)是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)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(yōu)異物理、化學(xué)特性,如超高硬度(僅次于金剛石)文鸽、高耐磨性乃衫、低摩擦系數(shù)、低熱膨脹系數(shù)等,同時還具有一些優(yōu)于金剛石的特性(c-BN與金剛石的性能對比見右表)向膏。與金剛石不適合加工鋼鐵材料不同,c-BN對鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能,因此可廣泛用于鋼鐵制品的精密加工贸掰、研磨等。c-BN除具有優(yōu)良的耐磨損性能外,其耐熱性也極為優(yōu)良,在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼残匈、淬火鋼菲藏、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(yán)重的Si-Al合金等難加工材料胆萧。

c-BN并不是天然存在的,需要靠人工合成,合成c-BN的傳統(tǒng)方法是高溫高壓法庆揩。這種方法對合成條件要求苛刻,成本高,而且只能得到 c-BN細(xì)小粉末,僅能用作磨料和聚晶c-BN刀具。盡管如此,由于使用了粘結(jié)劑,這種價格昂貴的刀具的加工性能也大大降低跌穗。因此迫切需要開發(fā)價格更低订晌、質(zhì)量更高的c-BN制備技術(shù)。

c-BN與金剛石的性能對比表
性能 c-BN 金剛石 晶體結(jié)構(gòu) 閃鋅礦 金剛石 晶格常數(shù)(?) 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(shù)
(×10^-6/℃) 4.7 3.1 化學(xué)穩(wěn)定性 與Fe系金屬不反應(yīng),大氣中至1000℃不氧化 與Fe系金屬反應(yīng),大氣中600℃以上氧化 熱穩(wěn)定性 真空中,溫度至1550℃才發(fā)生從c-BN至h-BN的相變 真空中,溫度超過1300℃,金剛石開始向石墨轉(zhuǎn)變

2蚌吸、c-BN涂層的制備方法

BN具有三種異構(gòu)體,即h-BN腾仅、c-BN和w-BN。h-BN(六方氮化硼)具有與石墨極為相似的結(jié)構(gòu),又稱為“白色石墨”,質(zhì)地也很軟套利；而c-BN的結(jié)構(gòu)和性能與金剛石相近推励。1987年Inagawa等人成功地制備了純度較高的c-BN薄膜,隨后許多研究人員相繼采用物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積 (CVD)方法成功制備了c-BN,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(xué)氣相沉積法肉迫。

1)等離子體增強脈沖激光沉積法

圖1 為等離子體增強脈沖激光沉積裝置示意圖验辞。該裝置主要包括多波段Nd:YAG激光器稿黄、等離子槍和抽真空系統(tǒng)。等離子槍包括一個熱電子發(fā)射陰極(熱陰極,由鎢絲制作的燈絲構(gòu)成)和一個陽極跌造；固體激光器產(chǎn)生的高能激光作用在靶材(h-BN)上,溫度可達10000℃,靶材在高溫下熔化和氣化,產(chǎn)生B蒸氣睡谒；熱陰極發(fā)射的熱電子激活反應(yīng)氣體N2產(chǎn)生等離子體N+,它與B蒸氣反應(yīng),在基片上沉積BN薄膜∥渤螅基極偏壓的作用是輔助沉積,基片距靶材5cm,在沉積過程中基片不停旋轉(zhuǎn)榆墅。

圖1 等離子體增強脈沖激光沉積裝置

等離子體增強脈沖激光沉積裝置沉積c-BN的典型條件為:RF入射功率10～150W,基極負(fù)偏壓100～200V,激光能量密度25J/cm2,沉積時間5～15min。

2) 熱絲輔助射頻等離子體CVD法

圖2 為熱絲輔助射頻等離子體CVD裝置示意圖熔淘。射頻電源產(chǎn)生的高頻電磁振蕩激發(fā)反應(yīng)氣體產(chǎn)生等離子體,置于基片上方的熱絲一方面對基片和反應(yīng)氣體加熱以提供更多熱能,另一方面熱絲發(fā)射的熱電子進一步增強等離子體,以提高反應(yīng)氣體離解率榨未；基片溫度通過調(diào)節(jié)燈絲電壓進行控制。反應(yīng)氣體為B2H6與NH3的混合氣體,混合前先用高純度H2分別稀釋至1%～5%,再按NH3:B2H6=3:1的體積比混合并通過反應(yīng)室饼痘。制備前先將反應(yīng)室抽至小于1Pa的基礎(chǔ)真空度,并用H2清洗幾分鐘收谭。

圖2 熱絲輔助射頻等離子體CVD裝置

熱絲輔助射頻等離子體CVD法沉積c-BN的典型條件為:熱絲溫度1800～2200℃,基片溫度800～1000℃,熱絲到基片的距離5～15mm,射頻功率100～200W。

3全僧、應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展前景

我們采用等離子體增強脈沖激光沉積法制備了c-BN涂層,試驗采用的沉積條件為:入射功率100W,基極負(fù)偏壓110V,激光能量密度25J/cm2,沉積時間為10min旧败。經(jīng)紅外光譜檢驗,發(fā)現(xiàn)所得到的c-BN涂層不僅含有h-BN(其含量隨制備工藝參數(shù)不同而變化),而且制備的涂層與基體粘著力不強。事實上,無論采用PVD法還是CVD法,目前制備的c-BN涂層都不同程度地含有h-BN公杰。鑒于目前所能得到的c-BN涂層的質(zhì)量,它只能作為切削刀具涂層,因為刀具涂層對涂層的組分無嚴(yán)格要求暮孕。因此,目前針對c-BN涂層研究最多的是在刀具上的應(yīng)用。將c-BN薄膜作為刀具的耐磨涂層,可以成倍乃至幾十倍地提高刀具的使用壽命许起。美國十偶、日本的許多企業(yè)在此方面進行了大量投資,以充分開發(fā)c-BN材料的潛在優(yōu)勢。預(yù)計近年超硬涂層工具的市場將達到每年 20億美元,并且應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車工業(yè)街氢。

由于形成c-BN涂層時總是伴隨著很大的內(nèi)應(yīng)力,因此c-BN涂層極易從基體上脫落。我們的試驗也證明,c-BN涂層刀具要走向?qū)嵱没?目前最大的難題是要解決c-BN涂層與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合力睦袖。目前較為有效的方法是在基體與涂層之間增加過渡層,如氮化鈦珊肃、氮化硅、富硼梯度層等馅笙。過渡層能顯著減少涂層的內(nèi)應(yīng)力,從而提高涂層與基體的結(jié)合力伦乔。然而要真正達到實用要求,還有待進一步研究與改良。

馬錫英等選用與c-BN晶格常數(shù)非常接近且具有面心立方結(jié)構(gòu)的Ni作為襯底材料來沉積c-BN涂層,并將其與Si襯底進行比較,發(fā)現(xiàn)Si襯底與c-BN的晶格常數(shù)失配度高達33%,而Ni襯底與c-BN的晶格常數(shù)失配度僅1.3%董习。實驗結(jié)果表明,在Ni襯底上生長的c- BN薄膜質(zhì)量較好,而Si襯底上生長的薄膜則出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象烈和。當(dāng)在Si襯底上濺射了Ni過渡層后,制備的c-BN薄膜質(zhì)量明顯得到改善。

要制備實用的c-BN刀具涂層,除需選用理想的過渡層材料外,還應(yīng)盡可能降低涂層中的內(nèi)應(yīng)力,我們正在嘗試采用激光熱處理方法來降低涂層中的內(nèi)應(yīng)力皿淋。相信在業(yè)界研究人員的共同努力下,制備出能解決生產(chǎn)急需的理想的c-BN刀具涂層已為時不遠(yuǎn)招刹。

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