開發cBN 涂層技術難點

開發cBN 涂層技術難點

據長期從事切削刀具涂層技術研究的Denn isT. Quin to 博士介紹, 要使一種材料成為功能涂層材料, 需要解決兩個工藝技術問題: 一生成具有正確鍵結構的納米晶晶核, 并且隨后能夠生長為最終結晶微觀組織; 二涂層能與基體牢固粘結, 這也是作為刀具涂層難題所在。

Quin to 博士指出, 與PCD涂層只有一種碳元素不同, cBN材料由硼氮兩種元素組成, 因此生成cBN 涂層難度大得多。為了生成具有很高硬度涂層, 這兩種物質原子必須形成特定、稱為sp3立方鍵結構, 以獲得熱動態穩定相。否則其原子就可能形成六方相, 盡管它也很穩定, 但那軟石墨相。CVD 工藝1000℃左右高溫下, 原子活動能力強, 可移動距離大, 容易排列成sp3結構。可CVD技術似乎本質上就不適合cBN 涂層, 而采用等離子輔助PVD 工藝實驗室條件下也只能沉積出最厚1 微米cBN , 而要作為一種實用硬質膜, 這一厚度太薄了。

此外, PVD 工藝約500℃低溫下, 原子活動能力較弱, 一方面只能形成較小納米晶核, 甚至幾乎不能長大成為晶粒, 正如Quin to 博士所說,“cBN 成核與金剛石成核不同, 它需要更多能量或更高能量離子碰撞, 以形成sp 3 結構”。另一方面, 由于原子并非總能找到一個“平衡位置”, 因此形成了殘余應力。這本是PVD涂層正常現象, 而且PVD 涂層生成殘余應力為壓應力, 如果控制得好, 它對抑制裂紋產生擴展有利。但, 對于cBN 涂層來說, 這種內應力太大, 反而成為開發功能性cBN 涂層主要障礙。Quin to 博士指出, 如果殘余應力不恰當地出現在涂層與基體界面上, 那么隨著沉積厚度增加, 涂層就會自發地破碎。

為了減小過大殘余應力, 科研人員涂層與基體之間設計了一個過渡層, 或者涂層工藝增加退火操作, 以消除內應力, 但至今仍未獲得像金剛石涂層那樣好的結合強度。

基體類型也會影響cBN 涂層粘結強度大小, 如果基體材料性質與涂層材料接近, 則涂層與基體會結合得更好。那么, 為什么不能將cBN涂覆PcBN上呢? Quinto 博士指出:“這樣也有可能粘結得很好, 但如果超硬涂層不與韌性基體相配合, 就難以獲得綜合優勢, 而且這種刀片也不經濟。”