多元金属硼氮化物刀具涂层研究现状

摘要：切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。且涂层的显微结构和力学性能受涂层中B含量的影响较多，适量的B元素能够容易与N结合形成非晶相BN，限制晶粒生长，从而形成纳米晶镶嵌在非晶介质中的纳米复合结构，能够提高涂层的硬度，降低摩擦系数，提高抗氧化性。

关键词：金属BN涂层，脉冲直流磁控溅射，硬度

1.引言

涂层刀具的应用有效地解决了刀具的刚性和较好地解决了刀具刚性和韧性之间不能共存的矛盾问题，在一定程度上极大的增强了刀具的使用寿命和抗冲击性。切削刀具表面涂层技术是近几十年应市场需求发展起来的材料表面改性技术。而纳米复合薄膜的出现使薄膜的研究进入了新的领域纳米领域。新型的涂层材料和新的涂层工艺方法不断出现，特别是新型高硬涂层以及软涂层材料将会使涂层刀具的应用将越来越广。

2.Cr-B-N涂层

在本研究[1] 中，Jyh-Wei Lee使用CrB2 靶和纯Cr靶的共溅射工艺，通过脉冲直流磁控溅射沉积一系列含有不同B浓度的Cr-B-N薄膜（A1-A7）。并探究了硼含量对Cr-B-N涂层相组成、显微结构和力学性能的影响。

从测试结果中可以明显看出，A1到A7中B元素的含量单调增加，而Cr元素则逐渐减少，七种涂层中N元素含量差别不大。CrN晶粒的尺寸随着B元素含量的增加而减小。A7中已经形成了纳米晶（约为3nm）。其中，N 2 的加入能够促进BN和Cr x N相的形成。在薄膜生长过程中，B的增加能够限制晶粒的生长，抑制柱状晶的形成，有助于形成纳米复合结构。A1的Cr-B-N涂层（含B 3.7 at %）因其致密的柱状晶结构表现出极高的硬度和弹性模量，即22 和210 GPa。固溶强化对硬度的提高也起到一定的作用。B的增加会导致软质非晶BN含量增加，从而硬度和弹性模量会随之降低。

3.Ti-B-N涂层

虽然TiB 2 具有优异的性能（如高硬度，耐磨性和耐滑动磨损性好，且高惰性），但六边形B中强共价结合导致的脆性减少其可用性。多组分和多相涂层的研发克服了这种限制（如脆性）[2] 。三元过渡金属氮化硼Ti-B-N具有出色的硬度和热稳定性，这对磨损越来越重要。P.H. Mayrhofer[3] 使用了PVD 和PACVD两种技术制备了三种Ti-B-N涂层。

化学成分为TiN　TiB 2 中B≤17.4 at.% 时含有面心立方结构的单晶相。较高的B能够导致纳米晶和非晶介质的形成。