采用电弧和磁控溅射混合工艺的氧化铝涂层技术及应用

      氧化铝薄膜具有很多优异的材料特性，特别是高温稳定性、化学稳定性和低导热性。现在氧化铝薄膜被广泛应用在硬质合金刀片上作为耐磨涂层材料。尽管具有这些优异的特性，但是氧化铝薄膜并没有被广泛应用到其它领域，主要原因是当今的行业标准仍然是建立在热化学气相沉积(CVD)工艺基础上的。

      虽然CVD工艺具有很多优点，但也有明显的缺点，即工艺过程所要求的高温(1000℃)。豪泽公司开发出了一种新工艺，能够在350℃～600℃的标准温度下通过物理气相沉积溅射方法(PVDsputtering)沉积氧化铝，这样就大大拓展了其应用范围。

      自从2005年豪泽公司在欧洲机床展览会EMO上宣布Al2O3的PVD涂层方面取得重大突破以来，豪泽公司就已经开始与世界主要刀具制造商和氧化铝模铸模具用户合作进行试验项目。下面将对涂层特性进行讨论，并介绍这种通过电弧和磁控溅射技术相结合的混合工艺进行沉积所取得的新涂层的成果。

 

刀具磨损情况

在加工过程中，刀具将出现几种磨损情况。刀具本身必须要能耐受高温、高压、磨损和热冲击。在切削过程中，刃口温度将超过1000℃。在此高温下，刀具的粘合剂及其它构成部分会出现退化，并导致刀具和工件之间出现有害的化学反应。切削过程总是伴有摩损的发生，刀具和工件切入接触时的压力大于140bar(2000PSI)。

      热冲击——刀具急冷急热，这是铣削加工中普遍发生的。刀片在切削过程中加热，在离开切削面时冷却。在铣削和切削断续的加工表面时会有机械冲击。车削中有时会有机械冲击，具体根据操作情况和工件条件的不同而有所不同。在工件与刀具发生粘结时(产生积屑瘤)会出现粘结磨损。

 

CVD和PVD的氧化铝涂层

      如今CVD氧化铝涂层刀片在工业上得到广泛应用，CVD氧化铝涂层的性能也得到广泛认知。由于氧化铝的高硬度(尤其是在高温下)、高氧化温度(>1000℃)、化学惰性和低导热率，氧化铝涂层刀具的性能得到很大提高。然而，CVD工艺过程通常需要在800℃～1000℃的高温下进行，这就限制了CVD工艺在硬质合金底基上的应用。由于硬质合金刀具变脆将导致韧性的降低。而PVD工艺过程因其400℃～600℃的低沉积温度，较之于CVD工艺有明显的优点。

      以PVD工艺制作氧化铝涂层的主要限制因素在于沉积过程中绝缘层沉积在涂层系统内部的所有表面，包括底基和底基座、靶材侵蚀面外的靶材部分和真空腔内壁。这将导致由于靶材“中毒”和阳极消失而引起的偏压电源和阴极(电弧)电源的不稳定情况。解决此问题比较成功的两个技术是：RF(射频)溅射和BP-DMS(两极脉冲双磁控溅射)。

 

氧化铝涂层设备

      PVD氧化铝系统应能以较高的沉积速率(短工作周期)沉积**低限度的γ-相氧化铝，并且具有稳定的涂层特性。系统应能够在高温下运行并且技术本身成本不高。**好用单阴极系统，这样可将现存设备升级为可镀氧化铝的涂层设备。豪泽公司的T-模式控制系统可使靶材表面在氧化沉积过程中处于过渡状态，这要求专门的阴极的设计和闭合磁场内的非平衡磁控。为得到**佳的反应气体引入，采用了特殊的控制系统。在约两年的时间内在几个生产设备上得到验证了此系统。