c-BN 涂层及其在刀具上的应用

1 引言

随着现代切削技术的发展，金属切除率不断提高。1900 年，用碳素工具钢刀具车削标
准钢棒(Ø500mm×100mm)需用时约 100 分钟，20 世纪 50 年代采用硬质合金刀具后，
加工时间缩短为几分钟。1969 年开始采用涂层硬质合金刀具，最初用涂层刀片切削标
准钢棒需用时 1.5min，而采用 GC1025 和 GC015 涂层刀片使加工时间进一步缩短到
1.25min

和 1min。通过对加工过程进行分析可知，要提高切削速度、降低切削成本，在

所有加工因素中最经济的办法就是应用新型刀具材料。
刀具表面涂层是提高刀具寿命、降低切削成本的有效手段。刀具涂层不仅可以提高刀
具的表面硬度，增强其耐磨性，而且可以减小刀具表面摩擦系数，增加润滑能力，
提高切削速度，减少换刀次数，提高被加工零件的精度和表面质量，从而提高生产
效率。目前，在工业发达国家，涂层刀具已占所用全部刀具的 80%以上，而我国这一
比例尚不及 20%，因此推广涂层刀具的应用、开发新的涂层刀具材料具有重大意义。

c-BN 与金刚石

的性能对比表
性能

c-BN

金刚石

晶体结构

闪锌矿

金刚石

晶格常数(?)

3.615

3.567

密度(g·cm-3)

3.48

3.515

显微硬度(MPa)

46042～84337

>88260

弹性模量(GPa)

700

1000

热膨胀系数
(×10-6/ )

℃

4.7

3.1

化学稳定性

与 Fe 系金属不反应，

大气中至 1000℃不氧

化

与 Fe 系金属反应，大

气中 600℃以上氧化

热稳定性

真空中，温度至
1550℃才发生从 c-BN

至 h-BN 的相变

真空中，温度超过
1300℃，金刚石开始

向石墨转变

c-BN(Cubic Boron Nitride，立方氮化硼)是继人工合成金刚石之后出现的另一种超硬无
机材料，它除了具有许多与金刚石类似的优异物理、化学特性，如超高硬度(仅次于金
刚石)、高耐磨性、低摩擦系数、低热膨胀系数等，同时还具有一些优于金刚石的特性(c-
BN 与金刚石的性能对比见右表)。与金刚石不适合加工钢铁材料不同，c-BN 对铁族金
属具有极为稳定的化学性能，因此可广泛用于钢铁制品的精密加工、研磨等。c-BN 除
具有优良的耐磨损性能外，其耐热性也极为优良，在相当高的切削温度下也能切削
耐热钢、淬火钢、钛合金等，并能切削高硬度的冷硬轧辊、渗碳淬火材料以及对刀具磨
损非常严重的 Si-Al 合金等难加工材料。
c-BN 并不是天然存在的，需要靠人工合成，合成 c-BN 的传统方法是高温高压法。这

种方法对合成条件要求苛刻，成本高，而且只能得到 c-BN 细小粉末，仅能用作磨料
和聚晶 c-BN 刀具。尽管如此，由于使用了粘结剂，这种价格昂贵的刀具的加工性能
也大大降低。因此迫切需要开发价格更低、质量更高的 c-BN

制备技术。2 c-BN 涂层的

制备方法
BN 具有三种异构体，即 h-BN、c-BN 和 w-BN。h-BN(六方氮化硼)具有与石墨极为相似

“

”

的结构，又称为白色石墨，质地也很软；而 c-BN 的结构和性能与金刚石相近。
1987 年 Inagawa 等人成功地制备了纯度较高的 c-BN 薄膜，随后许多研究人员相继采
用物理气相沉积(PVD)