刀具涂層技術(shù)的發(fā)展

刀具涂層技術(shù)的發(fā)展

1涂層刀具的出現(xiàn)和發(fā)展涂層刀是通過在厚硬度和高速度（hss）層中涂覆金屬和納米化合物，得到的涂層是高硬度和耐候性的。涂層刀具具有表面硬度高、耐磨性好、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐熱耐氧化、摩擦系數(shù)小和熱導(dǎo)率低等特性,涂層材料作為化學(xué)屏障和熱屏障,減少了刀具與工件間的擴散和化學(xué)反應(yīng),從而減少了月牙洼磨損,切削時可比未涂層刀具提高刀具壽命3～5倍以上,提高切削速度20%～70%,提高加工精度0.5～1級,降低刀具消耗費用20%～50%。涂層刀具的出現(xiàn)是刀具材料發(fā)展中的一次革命。自涂層刀具問世以來,刀具涂層技術(shù)取得了飛快的發(fā)展,涂層種類也越來越多。工業(yè)發(fā)達國家使用的涂層刀具在切削刀具中占的比例越來越大,約占到70～80%,涂層刀具已經(jīng)成為現(xiàn)代刀具的標(biāo)志。表1所示為刀具涂層材料的發(fā)展?fàn)顩r,從第一代的單涂層逐漸發(fā)展到多元多層涂層以滿足不同材料及切削環(huán)境的切削加工,隨著涂層技術(shù)的發(fā)展,新型的納米技術(shù)涂層和軟涂層逐步走向市場。2難以實現(xiàn)的al2o3涂層TiC和TiN是最早出現(xiàn)的刀具涂層材料,也是目前國內(nèi)外應(yīng)用較多的涂層。TiC涂層硬度高(達HV2500～4200),具有高的抗機械磨損和抗磨料磨損性能,與未涂層刀具相比,有較低的摩擦系數(shù),較小的切削力和較低的切削溫度,具有良好的抗后刀面磨損和抗月牙洼磨損能力,應(yīng)用溫度500℃,但其性脆,不耐沖擊。TiN涂層是工藝最成熟和應(yīng)用最廣泛的硬質(zhì)涂層材料,其突出優(yōu)點是摩擦系數(shù)小,應(yīng)用溫度達到600℃,適于加工鋼材或切削易于粘在前刀面上的材料。目前國內(nèi)外的刀具公司都有這兩種涂層牌號的產(chǎn)品?；瘜W(xué)氣相沉積(CVD)的Al2O3涂層刀具的切削性能高于TiN和TiC涂層刀具,且切削速度愈高,刀具耐用度提高的幅度也愈大。在高速范圍切削鋼件時,Al2O3涂層在高溫下硬度降低較TiC涂層小,Al2O3具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和高溫抗氧化能力,因此具有更好的抗月牙洼磨損、抗后刀面磨損和抗刃口熱塑性變形的能力,在高溫下有較高的耐用度。第一代Al2O3涂層切削刀具中,涂層常常是由α-和κ-Al2O3的混合物組成,導(dǎo)致不均勻的涂層形貌,嚴(yán)重降低涂層性能。過去的10年里,在控制α-Al2O3晶體成核和細顆粒微觀結(jié)構(gòu)方面取得了很大進步。早期的α-Al2O3涂層(圖1a)出現(xiàn)熱裂紋并且易碎,最近通過調(diào)節(jié)晶核表面的化學(xué)作用就可能完全控制并使α-Al2O3相成核,形成由細顆粒α-Al2O3組成的涂層,避免了轉(zhuǎn)化裂紋(圖1b),與早先技術(shù)得到的α-Al2O3涂層相比,表現(xiàn)出優(yōu)異的韌性。Al2O3涂層的絕緣特性使物理氣相沉積(PVD)工藝相當(dāng)難于控制,且沉積速度很低,如何能通過PVD的方法制備Al2O3涂層一直是刀具涂層業(yè)所關(guān)心的問題。CemeCon公司開發(fā)的高電離化脈沖技術(shù)(HIPTM),使優(yōu)異的AlOx涂層成為可能。該公司新近開發(fā)的建立在磁控濺射TiAlN涂層基礎(chǔ)上的Al2O3涂層,涂覆溫度低于450℃,在鑄鐵和高性能合金材料試驗上取得了滿意結(jié)果。HfN熱膨脹系數(shù)非常接近硬質(zhì)合金基體,涂鍍后產(chǎn)生的熱應(yīng)力很小,刀片抗彎強度降低少,因熱膨脹系數(shù)不同而引起崩刃的危險性減少,且HfN熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性高于很多高熔點材料,在溫度高達817～1204℃時仍有很高的硬度(30GPa),耐磨性好。目前市場上美國Teledyne公司牌號為HN+及HN+4的刀片及德國Walter公司牌號為WHN的刀片都是HfN涂層刀片。由于TiC、TiN涂層與鈦合金和鋁合金材料之間的親和力會使摩擦力和粘結(jié)增大,產(chǎn)生粘屑,而CrC、CrN和新開發(fā)的Mo2N、Cr2O3等涂層化學(xué)穩(wěn)定性好,不易產(chǎn)生粘屑,適于切削鈦、銅、鋁及其合金材料。此外常見的單涂層材料還有NbC、HfC、ZrC、ZrN、BN、VN等。3tialn和al單涂層刀具由于基材與涂層兩者的硬度、彈性模量及熱膨脹系數(shù)相差較遠,晶格類型也不盡相同,導(dǎo)致殘余應(yīng)力增加,結(jié)合力較弱。在單涂層中加入新的元素(如加入Cr和Y提高抗氧化性,加入Zr、V、B和Hf提高抗磨損性,加入Si提高硬度和抗化學(xué)擴散)制備出多元的刀具涂層材料,大大提高了刀具的綜合性能。最常用的多元刀具涂層是TiCN、TiAlN涂層。TiCN涂層兼有TiC和TiN涂層的良好韌性和硬度,它在涂覆過程中可通過連續(xù)改變C和N的成份來控制TiCN的性質(zhì),并可形成不同成份的梯度結(jié)構(gòu),降低涂層的內(nèi)應(yīng)力,提高韌性,增加涂層厚度,阻止裂紋擴展,減少崩刃。TiCN涂層技術(shù)不斷地在發(fā)展,九十年代中期,中溫化學(xué)氣相沉積(MT-CVD)新技術(shù)的出現(xiàn),使CVD技術(shù)發(fā)生了革命性變革。MT-CVD技術(shù)是以有機物乙腈(CH3CN)作為主要反應(yīng)氣體,在700℃以下生成TiCN涂層。這種TiCN涂層方法有效控制了很脆的η相(Co3W3C)生成,提高了涂層的耐磨性、抗熱震性及韌性。研究表明:在PVD沉積TiCN涂層時適當(dāng)增加離子束轟擊也可明顯提高涂層的硬度及耐磨性。近年來,以TiCN為基的四元成分新涂層材料(如TiZrCN、TiAlCN、TiSiCN等)也紛紛出現(xiàn)。TiAlN涂層材料是目前應(yīng)用最廣泛的高速硬質(zhì)合金刀具涂層之一,TiAlN有很高的高溫硬度和優(yōu)良的抗氧化能力,涂層組成由原來的Ti0.75Al0.25N轉(zhuǎn)化為優(yōu)先使用的Ti0.5Al0.5N。Ti0.5Al0.5N涂層抗氧化溫度為800℃,在高速加工中表面會產(chǎn)生一層非晶態(tài)Al2O3薄膜,對涂層起保護作用。目前人們將研究重點放在對TiAlN涂層的改進上,以滿足應(yīng)用領(lǐng)域?qū)χT如抗氧化性能、熱穩(wěn)定性能及熱硬度等需求的不斷提高。目前德國CemeCon公司采用高電離濺射技術(shù)(HIS(r))獲得先進的TiAlN涂層,涂層與基體有極好的結(jié)合力,避免了采用多弧離子鍍技術(shù)時蒸發(fā)材料在熔融狀態(tài)以液滴的形式沉積于工作表面的現(xiàn)象,從而可獲得表面非常光滑平整的涂層。Balzers公司新開發(fā)的X.CEED涂層也是一種單層TiAlN涂層,具有優(yōu)異的紅硬性和抗氧化性,即使在惡劣的條件下,涂層與基體仍具有良好的結(jié)合強度。三菱公司的MIRACLE涂層是含Al豐富的(Al,Ti)N涂層,通過大幅提高膜硬度和抗氧化性而實現(xiàn)了對淬火鋼的直接加工。TiBN涂層是基于TiN和TiB2發(fā)展起來的多元涂層,它既增強了TiN涂層的硬度,又保持了良好的韌性,避免了BN涂層和TiB2涂層的脆性,涂覆刀具耐磨性及抗腐蝕能力顯著提高,且磨擦系數(shù)較低。CHeau等人通過濺射Ti-B靶材沉積出的Ti-B-N涂層結(jié)合力得以改善,且達到了44GPa的顯微硬度。CemeCon公司開發(fā)的TiAlBN涂層,通過硼含量的變化,在加工過程中產(chǎn)生所謂“實時”現(xiàn)象,即通過硼擴散,形成BN、B2N3,從而得到有利于切削加工的潤滑膜層。此外還有日立公司開發(fā)的高溫下具有低摩擦系數(shù)的TiBON涂層。在TiN中加入Si元素形成TiSiN多元涂層,其抗高溫氧化性較單涂層TiN明顯提高。日本日立公司開發(fā)的適用于硬切削的TiSiN涂層具有36GPa的硬度和1100℃的開始氧化溫度,此外日立公司還以Cr代替Ti元素,開發(fā)出具有潤滑性,更適合用于鋁、不銹鋼等粘附性強的材料加工的CrSiN涂層以及四元的具有超強耐氧化性的AlCrSiN涂層。Balzers公司另一具有代表性的多元涂層是以Cr元素替代Ti元素的AlCrN涂層,稱為G6,該涂層具有HV3200的顯微硬度,使用溫度可達到1000℃,它的韌性超過鈦基涂層(如TiAlN、TiCN),更適合斷續(xù)切削和難加工材料的加工。成都工具研究所開發(fā)了我國首創(chuàng)的Ti-C-N-O-Al和Ti-C-N-B兩個系列共三種高性能多元復(fù)合涂層,具有優(yōu)異的復(fù)合機械性能和優(yōu)良的切削性能,主要用于汽車刀具及Hertel系列螺紋梳刀片上。其他的多元涂層材料還有TiMoN,TiCrN,NbCrN,NbZrN等。4其他雙層結(jié)構(gòu)涂層隨著涂層技術(shù)的發(fā)展,單層多元涂層也逐漸被多層的復(fù)合涂層所取代。根據(jù)不同涂層材料的性能和切削條件,涂覆不同的涂層組合,以發(fā)揮各種涂層的優(yōu)越性能。研究較多且有較好應(yīng)用的是雙層涂層和層數(shù)在3～7之間的多層復(fù)合涂層。TiC/TiN雙層涂層兼有TiC涂層的高硬度和高耐磨性,并有TiN涂層良好的化學(xué)穩(wěn)定性和高抗月牙洼磨損性能。由于TiC的熱膨脹系數(shù)比TiN更接近基體,涂層的殘余應(yīng)力較小,與基體結(jié)合牢固,并有較高的抗裂紋擴展能力,所以常用作多層涂層的底層。Al2O3涂層有很多優(yōu)良的性能,但Al2O3與基體的結(jié)合強度較差,在基體上先沉積一層TiC或TiN(如TiC/Al2O3,TiN/Al2O3),可以改善Al2O3涂層的結(jié)合強度。其它的雙層涂層有TiN/CBN、Al2O3/CBN、TiC/TiBN及Al2O3/Ti2O3等。三層涂層的組合方式很多,例如TiC/TiCN/TiN、TiC/TiCN/Al2O3、TiC/TiN/Al2O3、TiC/Al2O3/TiN、TaC/TiC/TiN、TiN/TiC/TiN和TiCN/TiC/TCN等,都是利用各個單涂層的優(yōu)點根據(jù)不同的切削條件組合而成的。最常見是TiC/TiCN/TiN涂層,這種涂層與TiC/TiN涂層相同,切削性能優(yōu)于單層TiC和TiN涂層。大多數(shù)刀具涂層廠家都有這種組合方式的涂層牌號,如美國Carmet公司的CA9443、CA9721;Kennametal公司的KC210、KC250等。在TiC/TiCN/TiN涂層組合中再加入Al2O3層成為更現(xiàn)代化的涂層。如瑞典SandvikCoromant公司在CIMT2005上新的GC2015牌號刀具是具有TiCN-TiN/Al2O3-TiN結(jié)構(gòu)的復(fù)合涂層(見圖2),其中底層的TiCN與基體的結(jié)合強度高,并有良好的耐磨性。TiN/Al2O3的多層結(jié)構(gòu)既耐磨又能抑制裂縫的擴展,表面的TiN具有較好的化學(xué)穩(wěn)定性,又易于觀察刀具的磨損。日本不二越公司開發(fā)出一種稱為SG的新型涂層,其結(jié)構(gòu)為TiN/TiCN/Ti,涂層與基體結(jié)合強度高,表層為Ti系特殊膜層,具有極好的耐熱性。瑞典Seco刀具公司應(yīng)用新的MT-CVD生產(chǎn)的TP3000刀片涂層結(jié)構(gòu)如圖3所示,其內(nèi)層的TiCN與基體有較強的結(jié)合力和強度,中間的Al2O3作為一種有效的熱屏障可允許有更高的切削速度,外層的TiCN保證抗前刀面和后刀面磨損能力,最外一薄層金黃色的TiN使得容易辨別刀片的磨損狀態(tài)。其它的多層涂層組合有如德國Widia公司的TiC/TiCN/TiN/Al(O,N)/TiN涂層,日本三菱金屬公司生產(chǎn)的牌號為U66的TiC/特殊陶瓷/Al2O3涂層;美國VR/Wesson公司生產(chǎn)的牌號為680刀片的TaC/TiC/Al2O3/TiN組合涂層,奧地利Tizit金屬加工公司生產(chǎn)的牌號為StamasterSr17刀片的TiC/TiCN/TiN/陶瓷組合涂層等。5納米多層復(fù)合涂層隨著納米技術(shù)的發(fā)展和涂鍍技術(shù)的進步,納米刀具涂層材料也引起廣大研究者的關(guān)注。納米涂層主要有兩種:納米多層結(jié)構(gòu)和納米復(fù)合結(jié)構(gòu)。納米多層涂層一般由高層數(shù)的同種結(jié)構(gòu)材料、化學(xué)鍵和原子半徑及點陣相近的各單層材料組成,可能得到與組成它的各單層涂層的性能差異顯著的全新涂層。這是一種人為可控的一維周期結(jié)構(gòu),交替沉積單層涂層不超過5～15nm。Chu和Barnett認為納米多層涂層的高硬度主要是由于層內(nèi)或?qū)娱g位錯運動困難所致。當(dāng)涂層非常薄時,兩層間的剪切模量不同,如果層間位錯能量有較大差異,則層間位錯運動困難,即位錯運動的能量決定了超點陣涂層的硬度。納米多層涂層的結(jié)構(gòu)主要有三種方式:(1)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層交替涂覆;(2)金屬AlN納米層與金屬AlCN納米層交替涂覆;(3)金屬氮化物納米層與金屬AlN納米層及金屬AlCN納米層交替涂覆。涂層過程中均可添加其他金屬元素(如鈦、鈮、鉿、釩、鉭、鋯或鉻),以進一步提高涂層的硬度、化學(xué)穩(wěn)定性、韌性和抗氧化性能。研究表明,對于TiN/AlN納米多涂層,當(dāng)層厚為2～4nm時,AlN呈現(xiàn)立方NaCl結(jié)構(gòu),涂層顯微硬度達到30～40GPa,其抗氧化溫度達到1000℃,采用等離子增強化學(xué)氣相沉積制得的AlN/TiAlN納米多層膜具有高硬度、高附著力和高耐磨性。納米多層涂層雖然達到了較高的硬度,但研究認為納米多層涂層的性能與涂層的周期膜厚有很大關(guān)系,當(dāng)在形狀復(fù)雜的刀具或零件表面沉積納米多層膜時,很難控制各層的膜厚,同時在高溫工作環(huán)境下各層間的元素相互擴散也會導(dǎo)致涂層性能下降,而采用單層的納米復(fù)合涂層能解決這些問題。德國材料科學(xué)家Veprek等根據(jù)Koehler的外延異質(zhì)結(jié)構(gòu)理論,提出了納米復(fù)合超硬涂層的理論和設(shè)計概念,并在由等離子體增強化學(xué)氣相沉積法制備的Ti-Si-N(nc-TiN/a-Si3N4)系統(tǒng)中被證實,同時nc-W2N/a-Si3N4和nc-VN/a-Si3N4也都表現(xiàn)出了良好的機械性能。以nc-TiN/a-Si3N4為代表的納米復(fù)合超硬材料,以其優(yōu)異的性能,如超高硬度、高硬高韌性及低的摩擦系數(shù)等,引起了人們的極大興趣。Zhang用離子束沉積了nc-TiN/a-Si3N4納米復(fù)合涂層,并系統(tǒng)的研究了其微觀結(jié)構(gòu)(見圖4)、表面形貌和力學(xué)性能。結(jié)果顯示,在Si含量11.4%時復(fù)合涂層達到最大值42GPa。Kim等研究了閉合場非平衡磁控反應(yīng)濺射TiAlSiN涂層,由納米晶的TiAlN和非晶態(tài)的Si3N4組成,顯微硬度及彈性模量約為42和490GPa。Nakonechan等用陰極弧PVD制備了(Ti,Si,Al)N涂層,最大硬度38～39GPa。Ribeiro等研究了離子轟擊對(Ti,Si,Al)N涂層的影響,發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在TiAlN和SiNx相,并形成了nc-TiN/a-Si3N4復(fù)合納米結(jié)構(gòu),增加離子轟擊可使硬度從30GPa增大到45GPa。盡管這些納米結(jié)構(gòu)的涂層大多是實驗室里的結(jié)果,但其結(jié)果顯示出了納米結(jié)構(gòu)涂層在金屬切削中的良好前景。日本住友公司開發(fā)的AC105G,AC110G等牌號的ZX涂層(見圖5)是一種TiN與AlN交替的納米多層涂層,層數(shù)可達2000層,每層厚度約為1nm。這種新涂層與基體結(jié)合強度高,涂層硬度接近CBN,抗氧化性能好,抗剝離性強,而且可顯著改善刀具表面粗糙度,其壽命是TiN、TiAlN涂層的2～3倍。Balzers公司開發(fā)并已被應(yīng)用的FUTUNANANO和FUTUNATOP是兩種TiAlN納米結(jié)構(gòu)涂層,涂層硬度平均為HV3300,開始氧化溫度為900℃。瑞士Platit公司開發(fā)納米多層涂層,以AlN作為主層,TiN-CrN為中間層,兩者相互交替形成多層結(jié)構(gòu)。試驗表明,當(dāng)周期為7nm時涂層的硬度達到最高,約45GPa。該公司利用LARC(r)(LateralRotatingARC-Cathodes)技術(shù)開發(fā)的新一代nc-TiAlN/(a-Si3N4)納米復(fù)合涂層(見圖6)是在強等離子體作用下,3nm的TiAlN晶體被鑲嵌在非晶態(tài)的Si3N4體內(nèi),在晶粒之間為1nm厚的Si3N4,這種結(jié)構(gòu)使涂層硬度可達到50GPa,且高溫硬度更是十分突出,當(dāng)溫度達到1200℃時,其硬度值仍可保持在30GPa。日立公司最近也開發(fā)了采用納米結(jié)晶材料組成TH涂層(TiSiN),實現(xiàn)了耐高溫和高硬度。該涂層在從預(yù)硬鋼到淬火鋼的高速切削加工、高效加工中有顯著的優(yōu)越性,加工效率提高2倍以上,與常用涂層的比較如圖7所示,切削加工時由于耐高溫,所以最適合干銑削加工。同時日立公司還開發(fā)了納米結(jié)構(gòu)適用于軟鋼加工領(lǐng)域的CS涂層(CrSiN)。三菱綜合材料神戶工具生產(chǎn)的“IMPACTMIRACLE立銑刀”采用先進的單相納米結(jié)晶(Al,Ti,Si)N涂層,氧化溫度達到了1300℃,與基材的結(jié)合力達100N,在加工60HRC左右的高硬度材料時,可大幅延長刀具的壽命。Cemecom公司新的納米結(jié)構(gòu)Supernitrides涂層(見圖8)成分中含有可生成不同氧化物的高含量元素。這類涂層將硬質(zhì)涂層卓越的抗磨損性能及傳統(tǒng)的氧化涂層所具有的化學(xué)穩(wěn)定性完美地結(jié)合起來,在應(yīng)用中表現(xiàn)出極佳的熱穩(wěn)定性及化學(xué)穩(wěn)定性。涂層的形態(tài)及構(gòu)成(例如鋁含量、結(jié)構(gòu)、表面光潔程度等)可根據(jù)應(yīng)用的需要進行最佳設(shè)計。對多種不同的被加工材料(如CGI、42CrMo4、鑄鐵、工具鋼等)進行鉆削、銑削、滾削和車削加工測試的結(jié)果證實了Supernitrides涂層的優(yōu)越性能。6材料涂層6.1類金剛石涂層金剛石涂層是新型刀具涂層材料之一。它利用低壓化學(xué)氣相沉積技術(shù)在硬質(zhì)合金基體上生長出一層由多晶組成的金剛石膜,用其加工硅鋁合金和銅合金等有色金屬、玻璃纖維等工程材料及硬質(zhì)合金等材料,刀具壽命是普通硬質(zhì)合金刀具的50～100倍。金剛石涂層采用了許多金剛石合成技術(shù),最普通的是熱絲法、微波等離子法和DC等離子噴射法。通過改進涂層方法和涂層的粘結(jié),已生產(chǎn)出金剛石涂層刀具,并在工業(yè)上得到了應(yīng)用。近年來,美國、日本和瑞典等國家都已相繼推出了金剛石涂層的絲錐、鉸刀、銑刀以及用于加工印刷線路板上的小孔金剛石涂層硬質(zhì)合金鉆頭及各種可轉(zhuǎn)位刀片,如瑞典Sandvik公司的CD1810和美國Kennametal公司的KCD25等牌號產(chǎn)品。美國Turchan公司開發(fā)的一種激光等離子體沉積金剛石的新工藝,用此法沉積金剛石,由于等離子場包圍整個刀具,刀具上的涂層均勻,其沉積速度比常規(guī)CVD法快1000倍。此法所成的金剛石涂層與基體之間產(chǎn)生真正的冶金結(jié)合,涂層強度高,可防止涂層脫落、龜裂和裂紋等缺陷。CemeCon公司具有特色的CVD金剛石涂層技術(shù),2000年建立生產(chǎn)線,使金剛石涂層技術(shù)達到工業(yè)化生產(chǎn)水平,其技術(shù)含量高,可以批量生產(chǎn)金剛石涂層。類金剛石涂層在對某些材料(Al、Ti及其復(fù)合材料)的機械加工方面具有明顯優(yōu)勢。通過低壓氣相沉積的類金剛石涂層,其微觀結(jié)構(gòu)與天然金剛石相比仍有較大差異。九十年代,常采用激活氫存在下的低壓氣相沉積DLC,涂層中含有大量氫。含氫過多將降低涂層的結(jié)合力和硬度,增大內(nèi)應(yīng)力。DLC中的氫在較高的溫度下會慢慢釋放出來,引起涂層工作不穩(wěn)定。不含氫的DLC硬度比含氫的DLC高,具有組織均勻、可大面積沉積、成本低、表面平整等優(yōu)點,已成為近年來DLC涂層研究的熱點。美國科學(xué)家A.A.Voevodin提出沉積超硬DLC涂層的結(jié)構(gòu)設(shè)計為Ti-TiC-DLC梯度轉(zhuǎn)變涂層,使硬度由較軟的鋼基體逐漸提高到表層超硬的DLC涂層。這類復(fù)合涂層既保持了高硬度和低摩擦系數(shù),又降低了脆性,提高了承載力、結(jié)合力及磨損抗力。日本住友公司推出了在硬質(zhì)合金刀片上涂覆金剛石DLC的DL1000涂層,用于切削鋁合金和非鐵金屬,抗粘結(jié),能有效降低已加工表面的粗糙度。經(jīng)過多年的研究表明:由于類金剛石涂層的內(nèi)應(yīng)力高、熱穩(wěn)定性差及與黑色金屬間的觸媒效應(yīng)使SP3結(jié)構(gòu)向SP2轉(zhuǎn)變等缺點,決定了它目前只能應(yīng)用于加工有色金屬,因而限制了它在機加工方面的進一步應(yīng)用。但是近年來的研究表明,以SP2結(jié)構(gòu)為主的類金剛石涂層(也稱為類石墨涂層)硬度也可達到20～40GPa,卻不存在與黑色金屬起觸媒效應(yīng)的問題,其摩擦系數(shù)很低又有很好的抗?jié)裥?切削時可以用冷卻劑也可用于干切削,其壽命比無涂層刀具成倍提高,可以加工鋼鐵材料,因而引起了涂層公司、刀具廠家的極大興趣。假以時日,這種新型的類金剛石涂層將會在切削領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。6.2城市混凝土復(fù)合材料涂層的制備CBN是繼人工合成金剛石之后出現(xiàn)的另一種超硬材料,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,高耐磨性,低摩擦系數(shù),低熱膨脹系數(shù)等)外,同時還具有一些優(yōu)于金剛石的特性。CBN對于鐵、鋼和氧化環(huán)境具有化學(xué)惰性,在氧化時形成一薄層氧化硼,此氧化物為涂層提供了化學(xué)穩(wěn)定性,因此它在加工硬的鐵材、灰鑄鐵時耐熱性也極為優(yōu)良,在相當(dāng)高的切削溫度下也能切削耐熱鋼、淬火鋼、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)重的硅鋁合金等難加工材料。自1987年Inagawa等成功地制備了出純的CBN涂層以來,在國際上掀起了CBN硬質(zhì)涂層的研究熱潮。低壓氣相合成CBN涂層的方法主要有CVD和PVD法。CVD包括化學(xué)輸運PCVD,熱絲輔助加熱PCVD,ECR-CVD等;PVD則有反應(yīng)離子束鍍、活性反應(yīng)蒸鍍、激光蒸鍍離子束輔助沉積法等。研究結(jié)果表明:在合成CBN相、對硬質(zhì)合金基體的良好粘結(jié)和合適的硬度等方面已取得了進展,目前沉積在硬質(zhì)合金上的立方氮化硼最大僅為0.2～0.5μm,若想達到商品化,則必須采用可靠的技術(shù)來沉積高純的經(jīng)濟的CBN涂層,其厚度應(yīng)在3～5μm,并在實際金屬切削加工中證實其效果。6.3合成氮化碳二十世代八十年代,美國科學(xué)家Liu和Cohen設(shè)計了類似β-Si3N4的新型化合物β-C3N4,并采用固體物理和量子化學(xué)理論計算出它的硬度可能達到金剛石,這引起了世界各國科學(xué)家的關(guān)注。合成氮化碳成為世界材料科學(xué)領(lǐng)域的熱門課題。日本Okayama大學(xué)的FFujimoto采用電子束蒸發(fā)離子束輔助沉積法獲得的氮化碳涂層達到63.7GPa,武漢大學(xué)合成的氮化碳硬度分別達到50GPa,并沉積到高速鋼麻