早在上世紀(jì)80年代，當(dāng)CVD金剛石涂層剛剛開發(fā)成功不久，對(duì)CBN涂層研究工作隨即展開，業(yè)界希望能夠利用CBN優(yōu)越性，提高加工黑色金屬刀具性能。如今，已可通過CVD或PVD工藝進(jìn)行金剛石涂層，并實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用。但，由于CBN材料特殊性，使CBN涂層研究工作經(jīng)歷了一個(gè)較長過程。
　　
　　開發(fā)CBN涂層難點(diǎn)
　　
　　據(jù)長期從事切削刀具涂層技術(shù)研究DennisT.Quinto博士介紹，要使一種材料成為功能涂層材料，需要解決兩個(gè)工藝技術(shù)問題：一生成具有正確鍵結(jié)構(gòu)納米晶晶核，并且隨后能夠生長為最終結(jié)晶微觀組織；二涂層能與基體牢固粘結(jié)，這也作為刀具涂層難題所。
　　
　　Quinto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(zhì)原子必須形成特定、稱為sp3立方鍵結(jié)構(gòu)，以獲得熱動(dòng)態(tài)穩(wěn)定相。否則其原子就可能形成六方相，盡管它也很穩(wěn)定，但那軟石墨相。CVD工藝1000℃左右高溫下，原子活動(dòng)能力強(qiáng)，可移動(dòng)距離大，容易排列成sp3結(jié)構(gòu)?？?，CVD技術(shù)似乎本質(zhì)上就不適合CBN涂層，而采用等離子輔助PVD工藝實(shí)驗(yàn)室條件下也只能沉積出最厚1微米CBN，而要作為一種實(shí)用硬質(zhì)膜，這一厚度太薄了。
　　
　　此外，PVD工藝約500℃低溫下，原子活動(dòng)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Quinto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sp3結(jié)構(gòu)。”另一方面，由于原子并非總能找到一個(gè)“平衡位置”，因此形成了殘余應(yīng)力。這本PVD涂層正常現(xiàn)象，而且PVD涂層生成殘余應(yīng)力為壓應(yīng)力，如果控制得好，它對(duì)抑制裂紋產(chǎn)生擴(kuò)展有利。但，對(duì)于CBN涂層來說，這種內(nèi)應(yīng)力太大，反而成為開發(fā)功能性CBN涂層主要障礙。Quinto博士指出，如果殘余應(yīng)力不恰當(dāng)?shù)爻霈F(xiàn)涂層與基體界面上，那么隨著沉積厚度增加，涂層就會(huì)自發(fā)地破碎。
　　
　　為了減小過大殘余應(yīng)力，科研人員涂層與基體之間設(shè)計(jì)了一個(gè)過渡層，或者涂層工藝增加退火操作，以消除內(nèi)應(yīng)力，但至今仍未獲得像金剛石涂層那樣好結(jié)合強(qiáng)度。
　　
　　基體類型也會(huì)影響CBN涂層粘結(jié)強(qiáng)度大小，如果基體材料性質(zhì)與涂層材料接近，則涂層與基體會(huì)結(jié)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(jié)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(yōu)勢，而且這種刀片也不經(jīng)濟(jì)。”
　　
　　由氣體相來沉積CBN研究工作仍繼續(xù)進(jìn)行，但其致命缺點(diǎn)使得大多數(shù)技術(shù)難以轉(zhuǎn)化為工業(yè)應(yīng)用。Quinto博士表示，“我相信刀具公司已經(jīng)放棄了這條技術(shù)途徑來開發(fā)CBN涂層，而將注意力轉(zhuǎn)向新PVD硬質(zhì)涂層。”
　　
　　CBN基復(fù)合涂層
　　
　　由于采用CVD或PVD工藝涂覆CBN非常困難，因此美國NanoMech公司首席技術(shù)專家AjayMalshe博士他同事阿肯色大學(xué)材料與制造工程實(shí)驗(yàn)室采用了一種非傳統(tǒng)涂層方法。該方法包括兩個(gè)步驟：第一步CBN粒子靜電噴射涂層（ESC，電場作用下，物理噴涂呈粉末狀或懸浮狀納米顆粒/或微米顆粒，使它們組成所需要形狀厚度）；第二步用化學(xué)氣相沉積法沉積TiN、TiCN、TiC、氮化鉿或其它傳統(tǒng)材料。
　　
　　“為什么我們不能通過激活CBN粒子來生成CBN涂層呢？”Malshe博士提出了這樣問題，他說，“正這一點(diǎn)上突破，使我們能夠沉積出CBN涂層。”
　　
　　Duralor公司——NanoMech公司子公司——入駐阿肯色州Springdale科技園，開始試驗(yàn)應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，并開發(fā)了商標(biāo)名為TuffTekCBN基復(fù)合涂層。該公司首席執(zhí)行官BobReed宣稱：“到今年底或明年初，我們將實(shí)現(xiàn)部分商品化。從現(xiàn)起一年時(shí)間之內(nèi)，我們將與一些大公司共同進(jìn)行開發(fā)。”
　　
　　工藝過程：利用預(yù)先合成CBN粒子，采用靜電噴涂（ESC）生成1微米厚CBN粒子涂層。這些粒子依靠較弱靜電力附著上面。Russell說，“粒子越小越好，因?yàn)樗鼈儽仨氝m應(yīng)磁場要求；如果這些粒子太大，就無法涂覆。”他曾經(jīng)幫助阿肯色大學(xué)將CBN粒子薄膜滲入CVD膜，再將其粘結(jié)到復(fù)合涂層組織里，這就該工藝第二步。
　　
　　第二步工藝，采用與CVD工藝類似化學(xué)氣相滲入法，用第二種化學(xué)物質(zhì)（如TiN）將這些粒子粘結(jié)到一起，并粘結(jié)到基體上。這種復(fù)合涂層含有40%～45%（體積）CBN。據(jù)Malshe博士介紹，無論ESC過程還CVD過程，均很好操作，并具有可重復(fù)可量化特點(diǎn)，這對(duì)于該工藝商業(yè)化應(yīng)用非常重要。
　　
　　該技術(shù)可沉積涂層厚度最大可達(dá)100微米甚至更厚，但應(yīng)用于加工涂層厚度通常20微米以下，這些加工主要針對(duì)精車淬硬零件。Reed說，“眼下我們還不能面向更多加工領(lǐng)域。”
　　
　　一次切削試驗(yàn)，對(duì)CBN涂層CNMG432TuffTek刀片與PVDTiAlN涂層同一型號(hào)刀片進(jìn)行了加工性能對(duì)比。車削硬度為50－52HRCAISI4340鋼軸時(shí)（試驗(yàn)條件：切削速度150m/min，進(jìn)給量0.15mm/r，切深0.25mm，加冷卻液，縱車外圓），TuffTekCBN涂層刀片性能為TiAlN涂層刀片3倍。
　　
　　另一次車削加工A-2鋼制作壓縮機(jī)軸（硬度58HRC）切削試驗(yàn)（試驗(yàn)條件：切削速度90m/min，進(jìn)給量0.11mm/r，切深0.36mm，連續(xù)車削），TiAlN涂層刀片只能半精加工3根軸；而Duralor公司CBN涂層刀片可半精加工9根軸，且切削刃狀態(tài)仍然良好，加工節(jié)拍時(shí)間可縮短50％。
　　
　　與PCBN刀片進(jìn)行比較切削試驗(yàn)時(shí)（試驗(yàn)條件：干切削硬度50－52HRCAISI4340鋼，切削速度100m/min，進(jìn)給量0.2mm/r，切深0.5mm），CBN-TiN復(fù)合涂層刀片壽命大約為PCBN刀片一半。
　　
　　由于粘結(jié)CBN粒子第二種化學(xué)物質(zhì)有很大選擇余地，因此可使CBN基復(fù)合涂層技術(shù)與納米結(jié)構(gòu)微米結(jié)構(gòu)涂層技術(shù)共同使用，可以根據(jù)加工需要開發(fā)出各種特定結(jié)構(gòu)涂層。
　　
　　CBN復(fù)合涂層刀具何時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，現(xiàn)還很難說；但一旦實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，其市場規(guī)模將相當(dāng)可觀。Quinto博士指出，全球PCBN每年?duì)I業(yè)額約為4.43億美元，其美國占有20％份額。“CBN涂層刀具將與現(xiàn)有PCBN刀具展開競爭。”他還指出，PCBN刀片價(jià)格CVD（PVD）涂層刀片5－10倍，但隨著超硬刀具價(jià)格下降，市場競爭將日趨激烈。
　　
　　盡管目前還提供不出這種涂層市場需求數(shù)據(jù)，但Reed認(rèn)為，由于其應(yīng)用面很廣，因此市場規(guī)模會(huì)很大。
　　
　　氣相沉積CBN涂層系統(tǒng)
　　
　　除了美國Duralor公司TuffTekCBN基復(fù)合涂層以外，德國Fraunhofer表面工程與薄膜（ITS）研究所新型耐磨涂層部門仍研究應(yīng)用PVD或等離子輔助CVD（PCVD）工藝開發(fā)CBN涂層。該部門MartinKeunecke博士說，“我們已經(jīng)能夠?qū)π螤畋容^簡單刀片進(jìn)行涂層，但僅僅實(shí)驗(yàn)室規(guī)模下試驗(yàn)性涂層。”當(dāng)前工作要沉積厚度1微米以上CBN涂層。
　　
　　通常，所有PVDCBN涂層都具有納米級(jí)CBN顆粒，并有很大壓應(yīng)力。Keunecke博士說，“大應(yīng)力加上此類涂層對(duì)濕度敏感性，通常會(huì)導(dǎo)致粘結(jié)強(qiáng)度低長期穩(wěn)定性差。”他還表示，PACVD工藝可以沉積較大顆粒，但該工藝需要較高溫度，這對(duì)硬質(zhì)合金基體不利，同時(shí)還要使用帶有氫氟酸氟化物，而氟化物具有很高化學(xué)活性，會(huì)使反應(yīng)爐內(nèi)部幾乎所有材料，尤其鋼制真空爐零件（如法蘭盤）受到損壞，因此該工藝很難升級(jí)到工業(yè)規(guī)模。
　　
　　為了改善粘結(jié)性穩(wěn)定性，IST首先采用反應(yīng)直流磁控濺射不平衡模式對(duì)硬質(zhì)合金刀片預(yù)涂一層TiAlN作為粘結(jié)層，其厚度從2微米到2.5微米，然后再沉積CBN涂層系統(tǒng)。該CBN涂層系統(tǒng)開始純氬氣氣氛下涂覆約1微米厚碳化硼（B4C），接著通過遞增方式改變?yōu)R射氣體，從氬氣變?yōu)闅?氮混合氣體，并涂覆0.1－0.2微米B-C-N梯度涂層CBN成核層。以遞增方式改變氣體可以使涂層逐漸由B4C過渡到CBN；該涂層系統(tǒng)頂層純氮?dú)夥障律?－2微米厚CBN。該涂層剖面掃描電鏡照片上，從硬質(zhì)合金基體以上涂層依次為TiAlN、碳化硼、0.1－0.2微米B-C-N梯度涂層（由于放大倍數(shù)不夠，梯度層不夠清晰），頂層為2微米厚CBN涂層。Keunecke說，該涂層組合每一層都含有碳，這有利于涂層系統(tǒng)穩(wěn)定；“我們獲得較厚CBN涂層工藝也使CBN涂層粘結(jié)性穩(wěn)定性得到改善，同時(shí)又不至于顯著降低內(nèi)應(yīng)力。”
　　
　　CBN涂層系統(tǒng)采用了射頻（13.56MHz）二極管反應(yīng)濺射裝置，以碳化硼作為靶材，其導(dǎo)電性直流濺射工藝已足夠大。Keunecke博士表示，反應(yīng)濺射意味著大部分涂層由氣體（如TiAlN涂層所用氮?dú)猓霝R射氣氛之。
　　
　　刀具上CBN涂層硬度約為5100HV，而TiAlN涂層硬度只有2400HV。IST與柏林理工大學(xué)合作進(jìn)行了切削試驗(yàn)，用CNMA120408刀片干式車削H13鋼（52HRC）外圓，切削速度60－100m/min，進(jìn)給量0.1mm/r，切深0.5mm。試驗(yàn)報(bào)告顯示：與TiAlN單層涂層相比，即使較高切削速度下，CBN涂層系統(tǒng)刀片壽命也為前者兩倍以上，可見兩者性能有著顯著差別。但，必須承認(rèn)，經(jīng)過一定切削時(shí)間以后，后刀面磨損帶寬度增加得非?？?，這意味著大部分超硬涂層已被磨損掉了。因此，為了進(jìn)一步提高刀具性能，還必須增加涂層系統(tǒng)CBN部分厚度。
　　
　　Keunecke博士認(rèn)為，由TiAlN、B4C、B-C-NCBN復(fù)合涂層系統(tǒng)能夠達(dá)到刀具壽命約為PCBN復(fù)合片80％。
　　
　　如果這項(xiàng)技術(shù)能擴(kuò)大到工業(yè)規(guī)模并使CBN基復(fù)合涂層刀具獲得工業(yè)應(yīng)用，將IST專有技術(shù)。Keunecke博士預(yù)測，“如果我們能夠生成CBN涂層，并具有與PCBN相當(dāng)?shù)毒邏勖?，那么，雖然這種涂層工藝相當(dāng)復(fù)雜，但仍然可大幅度降低刀具成本。”