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　　早在上世纪80年代，当CVD金刚石涂层刚刚开发成功不久，对CBN涂层研究工作随即展开，业界希望能够利用CBN优越性，提高加工黑色金属刀具性能。如今，已可通过CVD或PVD工艺进行金刚石涂层，并实现了商业化应用。但，由于CBN材料特殊性，使CBN涂层研究工作经历了一个较长过程。
　　
　　开发CBN涂层难点
　　
　　据长期从事切削刀具涂层技术研究DennisT.Quinto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，这也作为刀具涂层难题所。
　　
　　Quinto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Quinto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sp3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。Quinto博士指出，如果残余应力不恰当地出现涂层与基体界面上，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。”
　　
　　由气体相来沉积CBN研究工作仍继续进行，但其致命缺点使得大多数技术难以转化为工业应用。Quinto博士表示，“我相信刀具公司已经放弃了这条技术途径来开发CBN涂层，而将注意力转向新PVD硬质涂层。”
　　
　　CBN基复合涂层
　　
　　由于采用CVD或PVD工艺涂覆CBN非常困难，因此美国NanoMech公司首席技术专家AjayMalshe博士他同事阿肯色大学材料与制造工程实验室采用了一种非传统涂层方法。该方法包括两个步骤：第一步CBN粒子静电喷射涂层（ESC，电场作用下，物理喷涂呈粉末状或悬浮状纳米颗粒/或微米颗粒，使它们组成所需要形状厚度）；第二步用化学气相沉积法沉积TiN、TiCN、TiC、氮化铪或其它传统材料。
　　
　　“为什么我们不能通过激活CBN粒子来生成CBN涂层呢？”Malshe博士提出了这样问题，他说，“正这一点上突破，使我们能够沉积出CBN涂层。”
　　
　　Duralor公司——NanoMech公司子公司——入驻阿肯色州Springdale科技园，开始试验应用这项技术，并开发了商标名为TuffTekCBN基复合涂层。该公司首席执行官BobReed宣称：“到今年底或明年初，我们将实现部分商品化。从现起一年时间之内，我们将与一些大公司共同进行开发。”
　　
　　工艺过程：利用预先合成CBN粒子，采用静电喷涂（ESC）生成1微米厚CBN粒子涂层。这些粒子依靠较弱静电力附着上面。Russell说，“粒子越小越好，因为它们必须适应磁场要求；如果这些粒子太大，就无法涂覆。”他曾经帮助阿肯色大学将CBN粒子薄膜渗入CVD膜，再将其粘结到复合涂层组织里，这就该工艺第二步。
　　
　　第二步工艺，采用与CVD工艺类似化学气相渗入法，用第二种化学物质（如TiN）将这些粒子粘结到一起，并粘结到基体上。这种复合涂层含有40%～45%（体积）CBN。据Malshe博士介绍，无论ESC过程还CVD过程，均很好操作，并具有可重复可量化特点，这对于该工艺商业化应用非常重要。
　　
　　该技术可沉积涂层厚度最大可达100微米甚至更厚，但应用于加工涂层厚度通常20微米以下，这些加工主要针对精车淬硬零件。Reed说，“眼下我们还不能面向更多加工领域。”
　　
　　一次切削试验，对CBN涂层CNMG432TuffTek刀片与PVDTiAlN涂层同一型号刀片进行了加工性能对比。车削硬度为50－52HRCAISI4340钢轴时（试验条件：切削速度150m/min，进给量0.15mm/r，切深0.25mm，加冷却液，纵车外圆），TuffTekCBN涂层刀片性能为TiAlN涂层刀片3倍。
　　
　　另一次车削加工A-2钢制作压缩机轴（硬度58HRC）切削试验（试验条件：切削速度90m/min，进给量0.11mm/r，切深0.36mm，连续车削），TiAlN涂层刀片只能半精加工3根轴；而Duralor公司CBN涂层刀片可半精加工9根轴，且切削刃状态仍然良好，加工节拍时间可缩短50％。
　　
　　与PCBN刀片进行比较切削试验时（试验条件：干切削硬度50－52HRCAISI4340钢，切削速度100m/min，进给量0.2mm/r，切深0.5mm），CBN-TiN复合涂层刀片寿命大约为PCBN刀片一半。
　　
　　由于粘结CBN粒子第二种化学物质有很大选择余地，因此可使CBN基复合涂层技术与纳米结构微米结构涂层技术共同使用，可以根据加工需要开发出各种特定结构涂层。
　　
　　CBN复合涂层刀具何时能够实现工业化生产，现还很难说；但一旦实现了商业化，其市场规模将相当可观。Quinto博士指出，全球PCBN每年营业额约为4.43亿美元，其美国占有20％份额。“CBN涂层刀具将与现有PCBN刀具展开竞争。”他还指出，PCBN刀片价格CVD（PVD）涂层刀片5－10倍，但随着超硬刀具价格下降，市场竞争将日趋激烈。
　　
　　尽管目前还提供不出这种涂层市场需求数据，但Reed认为，由于其应用面很广，因此市场规模会很大。
　　
　　气相沉积CBN涂层系统
　　
　　除了美国Duralor公司TuffTekCBN基复合涂层以外，德国Fraunhofer表面工程与薄膜（ITS）研究所新型耐磨涂层部门仍研究应用PVD或等离子辅助CVD（PCVD）工艺开发CBN涂层。该部门MartinKeunecke博士说，“我们已经能够对形状比较简单刀片进行涂层，但仅仅实验室规模下试验性涂层。”当前工作要沉积厚度1微米以上CBN涂层。
　　
　　通常，所有PVDCBN涂层都具有纳米级CBN颗粒，并有很大压应力。Keunecke博士说，“大应力加上此类涂层对湿度敏感性，通常会导致粘结强度低长期稳定性差。”他还表示，PACVD工艺可以沉积较大颗粒，但该工艺需要较高温度，这对硬质合金基体不利，同时还要使用带有氢氟酸氟化物，而氟化物具有很高化学活性，会使反应炉内部几乎所有材料，尤其钢制真空炉零件（如法兰盘）受到损坏，因此该工艺很难升级到工业规模。
　　
　　为了改善粘结性稳定性，IST首先采用反应直流磁控溅射不平衡模式对硬质合金刀片预涂一层TiAlN作为粘结层，其厚度从2微米到2.5微米，然后再沉积CBN涂层系统。该CBN涂层系统开始纯氩气气氛下涂覆约1微米厚碳化硼（B4C），接着通过递增方式改变溅射气体，从氩气变为氩/氮混合气体，并涂覆0.1－0.2微米B-C-N梯度涂层CBN成核层。以递增方式改变气体可以使涂层逐渐由B4C过渡到CBN；该涂层系统顶层纯氮气氛下生成1－2微米厚CBN。该涂层剖面扫描电镜照片上，从硬质合金基体以上涂层依次为TiAlN、碳化硼、0.1－0.2微米B-C-N梯度涂层（由于放大倍数不够，梯度层不够清晰），顶层为2微米厚CBN涂层。Keunecke说，该涂层组合每一层都含有碳，这有利于涂层系统稳定；“我们获得较厚CBN涂层工艺也使CBN涂层粘结性稳定性得到改善，同时又不至于显着降低内应力。”
　　
　　CBN涂层系统采用了射频（13.56MHz）二极管反应溅射装置，以碳化硼作为靶材，其导电性直流溅射工艺已足够大。Keunecke博士表示，反应溅射意味着大部分涂层由气体（如TiAlN涂层所用氮气）带入溅射气氛之。
　　
　　刀具上CBN涂层硬度约为5100HV，而TiAlN涂层硬度只有2400HV。IST与柏林理工大学合作进行了切削试验，用CNMA120408刀片干式车削H13钢（52HRC）外圆，切削速度60－100m/min，进给量0.1mm/r，切深0.5mm。试验报告显示：与TiAlN单层涂层相比，即使较高切削速度下，CBN涂层系统刀片寿命也为前者两倍以上，可见两者性能有着显着差别。但，必须承认，经过一定切削时间以后，后刀面磨损带宽度增加得非常快，这意味着大部分超硬涂层已被磨损掉了。因此，为了进一步提高刀具性能，还必须增加涂层系统CBN部分厚度。
　　
　　Keunecke博士认为，由TiAlN、B4C、B-C-NCBN复合涂层系统能够达到刀具寿命约为PCBN复合片80％。
　　
　　如果这项技术能扩大到工业规模并使CBN基复合涂层刀具获得工业应用，将IST专有技术。Keunecke博士预测，“如果我们能够生成CBN涂层，并具有与PCBN相当刀具寿命，那么，虽然这种涂层工艺相当复杂，但仍然可大幅度降低刀具成本。”