CBN塗層有望實現商品化
早在上世紀80年代，當CVD金剛石塗層剛剛開發成功不久，對CBN塗層的研究工作隨即展開，業界希望能夠利用CBN的優越性，提高加工黑色金屬的刀具性能。如今，已可通過CVD或PVD工藝進行金剛石塗層，並實現了商業化應用。但是，由於CBN材料的特殊性，使CBN塗層的研究工作經歷了一個較長的過程。
開發CBN塗層的難點
據長期從事切削刀具和塗層技術研究的Dennis T. Quinto博士介紹，要使一種材料成為功能塗層材料，需要解決兩個工藝技術問題：一是生成具有正確鍵結構的納米晶的晶核，並且隨後能夠生長為最終的結晶微觀組織；二是塗層能與基體牢固粘結，這也是作為刀具塗層的難題所在。
Quinto博士指出，與PCD塗層只有一種碳元素不同，CBN材料是由硼和氮兩種元素組成，因此生成CBN塗層的難度大得多。為了生成具有很高硬度的塗層，這兩種物質的原子必須形成特定的、稱為sp3的立方鍵結構，以獲得熱動態穩定的相。否則其原子就可能形成六方相，儘管它也很穩定，但那是軟的石墨相。在CVD工藝1000℃左右的高溫下，原子的活動能力強，可移動的距離大，容易排列成sp3結構。可是，CVD技術似乎在本質上就不適合CBN塗層，而採用等離子輔助的PVD工藝在實驗室條件下也只能沉積出最厚1微米的CBN，而要作為一種實用的硬質膜，這一厚度太薄了。
此外，在PVD工藝約500℃的低溫下，原子的活動能力較弱，一方面只能形成較小的納米晶核，甚至幾乎不能長大成為晶粒，正如Quinto博士所說，“CBN的成核與金剛石成核不同，它需要更多的能量或更高能量的離子碰撞，以形成sp3結構。”另一方面，由於原子並非總能找到一個“平衡位置”，因此形成了殘餘應力。這本是PVD塗層中的正常現象，而且PVD塗層生成的殘餘應力為壓應力，如果控制得好，它對抑制裂紋的產生和擴展是有利的。但是，對於CBN塗層來說，這種內應力太大，反而成為開發功能性CBN塗層的主要障礙。Quinto博士指出，如果殘餘應力不恰當地出現在塗層與基體的介面上，那麼隨著沉積厚度的增加，塗層就會自發地破碎。 為了減小過大的殘餘應力，科研人員在塗層與基體之間設計了一個過渡層，或者在塗層工藝中增加退火操作，以消除內應力，但至今仍未獲得像金剛石塗層那樣好的結合強度。
基體的類型也會影響CBN塗層粘結強度的大小，如果基體材料的性質與塗層材料接近，則塗層與基體會結合得更好。那麼，為什麼不能將CBN塗覆在PCBN上呢？Quinto博士指出，“這樣也有可能粘結得很好，但如果超硬塗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。”
由氣體相來沉積CBN的研究工作仍在繼續進行，但其致命的缺點使得大多數技術難以轉化為工業應用。Quinto博士表示，“我相信刀具公司已經放棄了這條技術途徑來開發CBN塗層，而將注意力轉向新的PVD硬質塗層。”
CBN基複合塗層
由於採用CVD或PVD工藝塗覆CBN非常困難，因此美國NanoMech公司的首席技術專家Ajay Malshe博士和他的同事在阿肯色大學的材料與製造工程實驗室採用了一種非傳統的塗層方法。該方法包括兩個步驟：第一步是CBN粒子的靜電噴射塗層（ESC，是在電場作用下，物理噴塗呈粉末狀或懸浮狀的納米顆粒和/或微米顆粒，使它們組成所需要的形狀和厚度）；第二步是用化學氣相沉積法沉積TiN、TiCN、TiC、氮化鉿或其他傳統材料。
“為什麼我們不能通過啟動CBN粒子來生成CBN塗層呢？”Malshe博士提出了這樣的問題，他說，“正是在這一點上的突破，使我們能夠沉積出CBN塗層。”
Duralor公司NanoMech公司的子公司入駐阿肯色州Springdale科技園，開始試驗應用這項技術，並開發了商標名為TuffTek的CBN基複合塗層。該公司首席執行官Bob Reed宣稱：“到今年底或明年初，我們將實現部分商品化。從現在起的一年時間之內，我們將與一些大公司共同進行開發。”
工藝過程是：利用預先合成的CBN粒子，採用靜電噴塗（ESC）生成1微米厚的CBN粒子塗層。這些粒子依靠較弱的靜電力附著在上面。Russell說，“粒子越小越好，因為它們必須適應磁場的要求；如果這些粒子太大，就無法塗覆。”他曾經幫助阿肯色大學將CBN粒子的薄膜滲入CVD膜中，再將其粘結到複合塗層的組織裏，這就是該工藝的第二步。
在第二步工藝中，採用與CVD工藝類似的化學氣相滲入法，用第二種化學物質（如TiN）將這些粒子粘結到一起，並粘結到基體上。這種複合塗層含有40%～45%（體積）的CBN。據Malshe博士介紹，無論是ESC過程還是CVD過程，均很好操作，並具有可重複和可量化的特點，這對於該工藝的商業化應用非常重要。
該技術可沉積的塗層厚度最大可達100微米甚至更厚，但應用于加工的塗層厚度通常在20微米以下，這些加工主要是針對精車淬硬零件。Reed說，“眼下我們還不能面向更多的加工領域。”
在一次切削試驗中，對CBN塗層的CNMG432 TuffTek刀片與PVD TiAlN塗層的同一型號刀片進行了加工性能對比。在車削硬度為50－52HRC的AISI 4340鋼軸時（試驗條件：切削速度150m/min，進給量0.15mm/r，切深0.25mm，加冷卻液，縱車外圓），TuffTek CBN塗層刀片的性能為TiAlN塗層刀片的3倍。
在另一次車削加工A-2鋼製作的壓縮機軸（硬度58HRC）的切削試驗中（試驗條件：切削速度90m/min，進給量0.11mm/r，切深0.36mm，連續車削），TiAlN塗層刀片只能半精加工3根軸；而Duralor公司的CBN塗層刀片可半精加工9根軸，且切削刃狀態仍然良好，加工節拍時間可縮短50％。
在與PCBN刀片進行比較切削試驗時（試驗條件：幹切削硬度50－52HRC的AISI 4340鋼，切削速度100m/min，進給量0.2mm/r，切深0.5mm），CBN-TiN複合塗層刀片的壽命大約為PCBN刀片的一半。由於粘結CBN粒子的第二種化學物質有很大的選擇餘地，因此可使CBN基複合塗層技術與納米結構和微米結構塗層技術共同使用，可以根據加工需要開發出各種特定結構的塗層。
CBN複合塗層刀具何時能夠實現工業化生產，現在還很難說；但一旦實現了商業化，其市場規模將相當可觀。Quinto博士指出，全球PCBN每年的營業額約為4.43億美元，其中美國佔有20％的份額。“CBN塗層刀具將與現有的PCBN刀具展開競爭。”他還指出，PCBN刀片的價格是CVD（和PVD）塗層刀片的5－10倍，但隨著超硬刀具價格的下降，市場競爭將日趨激烈。
儘管目前還提供不出這種塗層的市場需求資料，但Reed認為，由於其應用面很廣，因此市場規模會很大。
氣相沉積的CBN塗層系統
除了美國Duralor公司的TuffTek CBN基複合塗層以外，德國Fraunhofer表面工程與薄膜（ITS）研究所的新型耐磨塗層部門仍在研究應用PVD或等離子輔助CVD（PCVD）工藝開發CBN塗層。該部門的Martin Keunecke博士說，“我們已經能夠對形狀比較簡單的刀片進行塗層，但僅僅是在實驗室規模下的試驗性塗層。”當前的工作是要沉積厚度1微米以上的CBN塗層。
通常，所有的PVD CBN塗層都具有納米級CBN顆粒，並有很大的壓應力。Keunecke博士說，“大應力加上此類塗層對濕度的敏感性，通常會導致粘結強度低和長期穩定性差。”他還表示，PACVD工藝可以沉積較大的顆粒，但該工藝需要較高的溫度，這對硬質合金基體不利，同時還要使用帶有氫氟酸的氟化物，而氟化物具有很高的化學活性，會使反應爐內部幾乎所有的材料，尤其是鋼制的真空爐和零件（如法蘭盤）受到損壞，因此該工藝很難升級到工業規模。
為了改善粘結性和穩定性，IST首先採用反應直流磁控濺射的不平衡模式對硬質合金刀片預塗一層TiAlN作為粘結層，其厚度從2微米到2.5微米，然後再沉積CBN塗層系統。該CBN塗層系統開始是在純氬氣的氣氛下塗覆約1微米厚的碳化硼（B4C），接著通過遞增方式改變濺射的氣體，從氬氣變為氬/氮混合氣體，並塗覆0.1－0.2微米的B-C-N梯度塗層和CBN成核層。以遞增方式改變氣體可以使塗層逐漸由B4C過渡到CBN；該塗層系統的頂層是在純氮氣氛下生成的1－2微米厚的CBN。在該塗層剖面的掃描電鏡照片上，從硬質合金基體以上的塗層依次為TiAlN、碳化硼、0.1－0.2微米的B-C-N梯度塗層（由於放大倍數不夠，梯度層不夠清晰），頂層為2微米厚的CBN塗層。Keunecke說，該塗層組合的每一層都含有碳，這有利於塗層系統的穩定；“我們獲得較厚CBN塗層的工藝也使CBN塗層的粘結性和穩定性得到改善，同時又不至於顯著降低內應力。”
CBN塗層系統採用了射頻（13.56MHz）二極體反應濺射裝置，以碳化硼作為靶材，其導電性在直流濺射工藝中已足夠大。Keunecke博士表示，反應濺射意味著大部分塗層是由氣體（如TiAlN塗層所用的氮氣）帶入濺射氣氛之中的。
刀具上的CBN塗層硬度約為5100HV，而TiAlN塗層的硬度只有2400HV。IST與柏林理工大學合作進行了切削試驗，用CNMA 120408刀片幹式車削H13鋼（52HRC）的外圓，切削速度60－100m/min，進給量0.1mm/r，切深0.5mm。試驗報告顯示：與TiAlN單層塗層相比，即使在較高的切削速度下，CBN塗層系統刀片的壽命也為前者的兩倍以上，可見兩者的性能有著顯著差別。但是，必須承認，在經過一定的切削時間以後，後刀面磨損帶的寬度增加得非常快，這意味著大部分超硬塗層已被磨損掉了。因此，為了進一步提高刀具性能，還必須增加塗層系統中CBN部分的厚度。
Keunecke博士認為，由TiAlN、B4C、B-C-N和CBN複合的塗層系統能夠達到的刀具壽命約為PCBN複合片的80％。
如果這項技術能擴大到工業規模並使CBN基複合塗層刀具獲得工業應用，將是IST的專有技術。Keunecke博士預測，“如果我們能夠生成CBN塗層，並具有與PCBN相當的刀具壽命，那麼，雖然這種塗層工藝相當複雜，但仍然可大幅度降低刀具成本。”
資料來源:2010/8/3 金屬加工世界
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據長期從事切削刀具和塗層技術研究的Dennis T. Quinto博士介紹，要使一種材料成為功能塗層材料，需要解決兩個工藝技術問題：一是生成具有正確鍵結構的納米晶的晶核，並且隨後能夠生長為最終的結晶微觀組織；二是塗層能與基體牢固粘結，這也是作為刀具塗層的難題所在。
Quinto博士指出，與PCD塗層只有一種碳元素不同，CBN材料是由硼和氮兩種元素組成，因此生成CBN塗層的難度大得多。為了生成具有很高硬度的塗層，這兩種物質的原子必須形成特定的、稱為sp3的立方鍵結構，以獲得熱動態穩定的相。否則其原子就可能形成六方相，儘管它也很穩定，但那是軟的石墨相。在CVD工藝1000℃左右的高溫下，原子的活動能力強，可移動的距離大，容易排列成sp3結構。可是，CVD技術似乎在本質上就不適合CBN塗層，而採用等離子輔助的PVD工藝在實驗室條件下也只能沉積出最厚1微米的CBN，而要作為一種實用的硬質膜，這一厚度太薄了。
此外，在PVD工藝約500℃的低溫下，原子的活動能力較弱，一方面只能形成較小的納米晶核，甚至幾乎不能長大成為晶粒，正如Quinto博士所說，“CBN的成核與金剛石成核不同，它需要更多的能量或更高能量的離子碰撞，以形成sp3結構。”另一方面，由於原子並非總能找到一個“平衡位置”，因此形成了殘餘應力。這本是PVD塗層中的正常現象，而且PVD塗層生成的殘餘應力為壓應力，如果控制得好，它對抑制裂紋的產生和擴展是有利的。但是，對於CBN塗層來說，這種內應力太大，反而成為開發功能性CBN塗層的主要障礙。Quinto博士指出，如果殘餘應力不恰當地出現在塗層與基體的介面上，那麼隨著沉積厚度的增加，塗層就會自發地破碎。 為了減小過大的殘餘應力，科研人員在塗層與基體之間設計了一個過渡層，或者在塗層工藝中增加退火操作，以消除內應力，但至今仍未獲得像金剛石塗層那樣好的結合強度。
基體的類型也會影響CBN塗層粘結強度的大小，如果基體材料的性質與塗層材料接近，則塗層與基體會結合得更好。那麼，為什麼不能將CBN塗覆在PCBN上呢？Quinto博士指出，“這樣也有可能粘結得很好，但如果超硬塗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。”
由氣體相來沉積CBN的研究工作仍在繼續進行，但其致命的缺點使得大多數技術難以轉化為工業應用。Quinto博士表示，“我相信刀具公司已經放棄了這條技術途徑來開發CBN塗層，而將注意力轉向新的PVD硬質塗層。”
CBN基複合塗層
由於採用CVD或PVD工藝塗覆CBN非常困難，因此美國NanoMech公司的首席技術專家Ajay Malshe博士和他的同事在阿肯色大學的材料與製造工程實驗室採用了一種非傳統的塗層方法。該方法包括兩個步驟：第一步是CBN粒子的靜電噴射塗層（ESC，是在電場作用下，物理噴塗呈粉末狀或懸浮狀的納米顆粒和/或微米顆粒，使它們組成所需要的形狀和厚度）；第二步是用化學氣相沉積法沉積TiN、TiCN、TiC、氮化鉿或其他傳統材料。
“為什麼我們不能通過啟動CBN粒子來生成CBN塗層呢？”Malshe博士提出了這樣的問題，他說，“正是在這一點上的突破，使我們能夠沉積出CBN塗層。”
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在第二步工藝中，採用與CVD工藝類似的化學氣相滲入法，用第二種化學物質（如TiN）將這些粒子粘結到一起，並粘結到基體上。這種複合塗層含有40%～45%（體積）的CBN。據Malshe博士介紹，無論是ESC過程還是CVD過程，均很好操作，並具有可重複和可量化的特點，這對於該工藝的商業化應用非常重要。
該技術可沉積的塗層厚度最大可達100微米甚至更厚，但應用于加工的塗層厚度通常在20微米以下，這些加工主要是針對精車淬硬零件。Reed說，“眼下我們還不能面向更多的加工領域。”
在一次切削試驗中，對CBN塗層的CNMG432 TuffTek刀片與PVD TiAlN塗層的同一型號刀片進行了加工性能對比。在車削硬度為50－52HRC的AISI 4340鋼軸時（試驗條件：切削速度150m/min，進給量0.15mm/r，切深0.25mm，加冷卻液，縱車外圓），TuffTek CBN塗層刀片的性能為TiAlN塗層刀片的3倍。
在另一次車削加工A-2鋼製作的壓縮機軸（硬度58HRC）的切削試驗中（試驗條件：切削速度90m/min，進給量0.11mm/r，切深0.36mm，連續車削），TiAlN塗層刀片只能半精加工3根軸；而Duralor公司的CBN塗層刀片可半精加工9根軸，且切削刃狀態仍然良好，加工節拍時間可縮短50％。
在與PCBN刀片進行比較切削試驗時（試驗條件：幹切削硬度50－52HRC的AISI 4340鋼，切削速度100m/min，進給量0.2mm/r，切深0.5mm），CBN-TiN複合塗層刀片的壽命大約為PCBN刀片的一半。由於粘結CBN粒子的第二種化學物質有很大的選擇餘地，因此可使CBN基複合塗層技術與納米結構和微米結構塗層技術共同使用，可以根據加工需要開發出各種特定結構的塗層。
CBN複合塗層刀具何時能夠實現工業化生產，現在還很難說；但一旦實現了商業化，其市場規模將相當可觀。Quinto博士指出，全球PCBN每年的營業額約為4.43億美元，其中美國佔有20％的份額。“CBN塗層刀具將與現有的PCBN刀具展開競爭。”他還指出，PCBN刀片的價格是CVD（和PVD）塗層刀片的5－10倍，但隨著超硬刀具價格的下降，市場競爭將日趨激烈。
儘管目前還提供不出這種塗層的市場需求資料，但Reed認為，由於其應用面很廣，因此市場規模會很大。
氣相沉積的CBN塗層系統
除了美國Duralor公司的TuffTek CBN基複合塗層以外，德國Fraunhofer表面工程與薄膜（ITS）研究所的新型耐磨塗層部門仍在研究應用PVD或等離子輔助CVD（PCVD）工藝開發CBN塗層。該部門的Martin Keunecke博士說，“我們已經能夠對形狀比較簡單的刀片進行塗層，但僅僅是在實驗室規模下的試驗性塗層。”當前的工作是要沉積厚度1微米以上的CBN塗層。
通常，所有的PVD CBN塗層都具有納米級CBN顆粒，並有很大的壓應力。Keunecke博士說，“大應力加上此類塗層對濕度的敏感性，通常會導致粘結強度低和長期穩定性差。”他還表示，PACVD工藝可以沉積較大的顆粒，但該工藝需要較高的溫度，這對硬質合金基體不利，同時還要使用帶有氫氟酸的氟化物，而氟化物具有很高的化學活性，會使反應爐內部幾乎所有的材料，尤其是鋼制的真空爐和零件（如法蘭盤）受到損壞，因此該工藝很難升級到工業規模。
為了改善粘結性和穩定性，IST首先採用反應直流磁控濺射的不平衡模式對硬質合金刀片預塗一層TiAlN作為粘結層，其厚度從2微米到2.5微米，然後再沉積CBN塗層系統。該CBN塗層系統開始是在純氬氣的氣氛下塗覆約1微米厚的碳化硼（B4C），接著通過遞增方式改變濺射的氣體，從氬氣變為氬/氮混合氣體，並塗覆0.1－0.2微米的B-C-N梯度塗層和CBN成核層。以遞增方式改變氣體可以使塗層逐漸由B4C過渡到CBN；該塗層系統的頂層是在純氮氣氛下生成的1－2微米厚的CBN。在該塗層剖面的掃描電鏡照片上，從硬質合金基體以上的塗層依次為TiAlN、碳化硼、0.1－0.2微米的B-C-N梯度塗層（由於放大倍數不夠，梯度層不夠清晰），頂層為2微米厚的CBN塗層。Keunecke說，該塗層組合的每一層都含有碳，這有利於塗層系統的穩定；“我們獲得較厚CBN塗層的工藝也使CBN塗層的粘結性和穩定性得到改善，同時又不至於顯著降低內應力。”
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刀具上的CBN塗層硬度約為5100HV，而TiAlN塗層的硬度只有2400HV。IST與柏林理工大學合作進行了切削試驗，用CNMA 120408刀片幹式車削H13鋼（52HRC）的外圓，切削速度60－100m/min，進給量0.1mm/r，切深0.5mm。試驗報告顯示：與TiAlN單層塗層相比，即使在較高的切削速度下，CBN塗層系統刀片的壽命也為前者的兩倍以上，可見兩者的性能有著顯著差別。但是，必須承認，在經過一定的切削時間以後，後刀面磨損帶的寬度增加得非常快，這意味著大部分超硬塗層已被磨損掉了。因此，為了進一步提高刀具性能，還必須增加塗層系統中CBN部分的厚度。
Keunecke博士認為，由TiAlN、B4C、B-C-N和CBN複合的塗層系統能夠達到的刀具壽命約為PCBN複合片的80％。
如果這項技術能擴大到工業規模並使CBN基複合塗層刀具獲得工業應用，將是IST的專有技術。Keunecke博士預測，“如果我們能夠生成CBN塗層，並具有與PCBN相當的刀具壽命，那麼，雖然這種塗層工藝相當複雜，但仍然可大幅度降低刀具成本。”
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