CBN涂层有望实现商品化
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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。但是,由于CBN材料的特殊性,使CBN涂层的研究工作经历了一个较长的过程。
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涂层的研究上作随即展开,业界希望能够利用CBN的优越性提高加工黑色金属的刀具性能。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。但是,由于CBN材料的特殊性,使CBN涂层的研究工作经历了一个较长的过程。

开发CBN涂层的难点

据长期从事切削刀具和涂层技术研究的Dennis T.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:一是生成具有正确键结构的纳米晶的晶核,并且随后能够生长为最终的结晶微观组织;二是涂层能与基体牢固粘结,这也是作为刀具涂层的难题所在。
Quinto溥士指出,与PCD涂层只有一种碳元素不同,CBN材料由硼和氮两种元素组成,因此生成CBN涂层的难度大得多。为了生成具有很高硬度的涂层,这两种物质的原子必须形成特定的、称为sp3的立方键结构,以获得热动态稳定的相。否则其原子就可能形成六方相,尽管它也很稳定,但那是软的石墨相。在CVD工艺1000℃左右的高温下.原子的活动能力强,可移动距离大容易排列成sp3结构。可是,CVD技术似乎在本质上就不适合CBN涂层,而采用等离子辅助的PVD工艺在实验室条件下也只能沉积出最厚1微米的CBN,而作为一种实用的硬质膜这一厚度太薄了。
此外,在PVD工艺约500℃的较低温度下.原子的活动能力较弱,一方面只能形成较小的纳米晶核,甚至几乎不能长大成为晶粒,正如Quinto博士所说,"CBN的成核与金刚石成核不同,它需要更多能量或更高能量的离子碰撞,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。这本是PVD涂层的正常现象,而且PVD涂层生成的残余应力为压应力,如果控制得好,它对抑制裂纹的产生和扩展是有利的。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涂层的主要障碍。Quinto博士指出,如果残余应力不恰当地出现在涂层与基体的界面上,那么随着沉积厚度的增加.涂层就会自行破碎。
为了减小过大的残余应力,科研人员在涂层与基体之间设计了一个过渡层,或者在涂层工艺中增加退火操作,以消除内应力,但至今仍未获得像金刚石涂层那样好的结合强度。
基体的类型也会影响CBN涂层粘结强度的大小,如果基体材料的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涂覆在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的研究工作仍在继续进行,但其致命的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,而将注意力转向新的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公司的首席技术专家Ajay Malshe博士和他的同事在阿肯色大学的材料与制造工程实验室采用了一种非传统的涂层方法。该方法包括两个步骤:第一步是CBN粒子的静电喷射涂层(ESC)(见图1) ;第二步是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博士提出了这样的问题,他说,“正是在这一点上的突破,使我们能够沉积出CBN涂层。”

图1 静电喷射涂层是在电场作用下,物理喷涂呈粉末状或悬浮状的纳米颗粒和威微米颗粒,使它们组成所需要的形状和厚度

图2 采用TuffTekCBN基复合涂层的硬车削加工刀片
Duralor公司——NanoMech公司的子公司——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TuffTek的CBN基复合涂层(见图2)。该公司首席执行官Bob Reed宣称:“到今年底或明年初,我们将实现部分商品化。从现在起的一年时间之内,我们将与一些大公司共同进行开发。”
工艺过程是:利用预先合成的CBN粒子.采用静电喷涂(ESC)生成1微米厚的CBN粒子涂层。这些粒子依靠较弱的静电力附着在上面。Russell说,“粒子越小越好,因为它们必须适应磁场的要求;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粒子的薄膜渗入CVD膜中,再将其粘结到复合涂层的组织里.这就是该工艺的第二步。
在第二步工艺中,采用与CVD工艺类似的化学气相渗人法,用第二种化学物质(如TiN)将这些粒子粘结到起,并粘结到基体上。这种复合涂层含有40%~45%(体积)的CBN。据Malshe博士介绍,尤论是ESC过程还是CVD过程,均很好操作,并具有可重复和可量化的特点,这对于该工艺的商业化应用非常重要。
该技术可沉积的涂层厚度最大可达100微米甚至更<
本文作者:Alan Richter(原作) 赵炳祯(编译)
原载:《工具展望》2009年第1期
上载于:2010-6-2 13:12:05

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