1 引言

　　隨著現(xiàn)代切削技術(shù)的發(fā)展褐泊，金屬切除率不斷提高驻碟。1900年珠慧，用碳素工具鋼刀具車削標(biāo)準(zhǔn)鋼棒(?500mm×100mm)需用時約100分鐘璃淤，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唬辛。1969年開始采用涂層硬質(zhì)合金刀具伙斯，最初用涂層刀片切削標(biāo)準(zhǔn)鋼棒需用時1.5min乌迎，而采用GC1025和GC015涂層刀片使加工時間進(jìn)一步縮短到1.25min和 1min。通過對加工過程進(jìn)行分析可知浙炼，要提高切削速度份氧、降低切削成本唯袄，在所有加工因素中最經(jīng)濟的辦法就是應(yīng)用新型刀具材料弯屈。

　　刀具表面涂層是提高刀具壽命、降低切削成本的有效手段恋拷。刀具涂層不僅可以提高刀具的表面硬度资厉，增強其耐磨性，而且可以減小刀具表面摩擦系數(shù)蔬顾，增加潤滑能力宴偿，提高切削速度，減少換刀次數(shù)诀豁，提高被加工零件的精度和表面質(zhì)量窄刘，從而提高生產(chǎn)效率。目前舷胜，在工業(yè)發(fā)達(dá)國家娩践，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%烹骨，因此推廣涂層刀具的應(yīng)用翻伺、開發(fā)新的涂層刀具材料具有重大意義。

　　c-BN(Cubic Boron Nitride陵阁，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第六，它除了具有許多與金剛石類似的優(yōu)異物理、化學(xué)特性锹鹉，如超高硬度(僅次于金剛石)乙遵、高耐磨性、低摩擦系數(shù)塑满、低熱膨脹系數(shù)等轮庵，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)。與金剛石不適合加工鋼鐵材料不同匹氯，c-BN對鐵族金屬具有極為穩(wěn)定的化學(xué)性能阿切，因此可廣泛用于鋼鐵制品的精密加工、研磨等重抑。c-BN除具有優(yōu)良的耐磨損性能外擦蚣，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亿永、淬火鋼掠廓、鈦合金等换怖，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合金等難加工材料蟀瞧。

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

　　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)间驮，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 真空中煤蔚，溫度至1550℃才發(fā)生從c-BN至h-BN的相變 真空中试填，溫度超過1300℃，金剛石開始向石墨轉(zhuǎn)變

2 c-BN涂層的制備方法

　　BN具有三種異構(gòu)體娄缴，即h-BN兔卤、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)摊梯，又稱為“白色石墨”云盲，質(zhì)地也很軟；而c-BN的結(jié)構(gòu)和性能與金剛石相近杀乃。1987年Inagawa等人成功地制備了純度較高的c-BN薄膜球逢，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碳环。在多種制備方法中矮蘑，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。

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鞍后。該裝置主要包括多波段Nd:YAG激光器置塘、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(熱陰極伴澄，由鎢絲制作的燈絲構(gòu)成)和一個陽極赋除；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(dá)10000℃，靶材在高溫下熔化和氣化举农，產(chǎn)生B蒸氣荆针；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)颁糟，在基片上沉積BN薄膜航背。基極偏壓的作用是輔助沉積棱貌，基片距靶材5cm玖媚，在沉積過程中基片不停旋轉(zhuǎn)。

　　　　
 
　　　　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键畴，基極負(fù)偏壓100～200V最盅，激光能量密度25J/cm2突雪，沉積時間5～15min起惕。

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。射頻電源產(chǎn)生的高頻電磁振蕩激發(fā)反應(yīng)氣體產(chǎn)生等離子體掠北，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牌骚，另一方面熱絲發(fā)射的熱電子進(jìn)一步增強等離子體，以提高反應(yīng)氣體離解率攘宝；基片溫度通過調(diào)節(jié)燈絲電壓進(jìn)行控制缘荧。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%下驴，再按NH3:B2H6=3:1的體積比混合并通過反應(yīng)室蒿榄。制備前先將反應(yīng)室抽至小于1Pa的基礎(chǔ)真空度，并用H2清洗幾分鐘赛臀。

　　　　
 
　　　　　　　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℃夹昼，基片溫度800～1000℃，熱絲到基片的距離5～15mm丰扁，射頻功率100～200W帘达。

3 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纽哭，基極負(fù)偏壓110V栏蝙，激光能量密度25J/cm2，沉積時間為10min蚕泽。經(jīng)紅外光譜檢驗晌梨，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须妻。事實上仔蝌，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。鑒于目前所能得到的c-BN涂層的質(zhì)量掌逛，它只能作為切削刀具涂層师逸，因為刀具涂層對涂層的組分無嚴(yán)格要求。因此豆混，目前針對c-BN涂層研究最多的是在刀具上的應(yīng)用篓像。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皿伺。美國员辩、日本的許多企業(yè)在此方面進(jìn)行了大量投資，以充分開發(fā)c-BN材料的潛在優(yōu)勢鸵鸥。預(yù)計近年超硬涂層工具的市場將達(dá)到每年 20億美元企电，并且應(yīng)用領(lǐng)域主要集中在汽車工業(yè)。

　　由于形成c-BN涂層時總是伴隨著很大的內(nèi)應(yīng)力护忠，因此c-BN涂層極易從基體上脫落乃筐。我們的試驗也證明，c-BN涂層刀具要走向?qū)嵱没凹耄壳白畲蟮碾y題是要解決c-BN涂層與硬質(zhì)合金基體之間的結(jié)合力玄饶。目前較為有效的方法是在基體與涂層之間增加過渡層，如氮化鈦丰浙、氮化硅李腐、富硼梯度層等。過渡層能顯著減少涂層的內(nèi)應(yīng)力袄映，從而提高涂層與基體的結(jié)合力憎苦。然而要真正達(dá)到實用要求，還有待進(jìn)一步研究與改良泽姨。

　　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涂層叁震，并將其與Si襯底進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)Si襯底與c-BN的晶格常數(shù)失配度高達(dá)33%造过，而Ni襯底與c-BN的晶格常數(shù)失配度僅1.3%唱较。實驗結(jié)果表明，在Ni襯底上生長的c- BN薄膜質(zhì)量較好召川，而Si襯底上生長的薄膜則出現(xiàn)了剝離現(xiàn)象南缓。當(dāng)在Si襯底上濺射了Ni過渡層后，制備的c-BN薄膜質(zhì)量明顯得到改善荧呐。

　　要制備實用的c-BN刀具涂層汉形，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)力倍阐，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)力概疆。相信在業(yè)界研究人員的共同努力下逗威，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)。

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