氧化鋁薄膜具有很多優(yōu)異的材料特性，特別是高溫穩(wěn)定性、化學穩(wěn)定性和低導熱性?，F(xiàn)在氧化鋁薄膜被廣泛應用在硬質(zhì)合金刀片上作為耐磨涂層材料。盡管具有這些優(yōu)異的特性，但是氧化鋁薄膜并沒有被廣泛應用到其它領(lǐng)域，主要原因是當今的行業(yè)標準仍然是建立在熱化學氣相沉積(CVD)工藝基礎(chǔ)上的。
雖然CVD工藝具有很多優(yōu)點，但也有明顯的缺點，即工藝過程所要求的高溫(1000℃)。豪澤公司開發(fā)出了一種新工藝，能夠在350℃～600℃的標準溫度下通過物理氣相沉積濺射方法(PVDsputtering)沉積氧化鋁，這樣就大大拓展了其應用范圍。
自從2005年豪澤公司在歐洲機床展覽會EMO上宣布Al2O3的PVD涂層方面取得重大突破以來，豪澤公司就已經(jīng)開始與世界主要刀具制造商和氧化鋁模鑄模具用戶合作進行試驗項目。下面將對涂層特性進行討論，并介紹這種通過電弧和磁控濺射技術(shù)相結(jié)合的混合工藝進行沉積所取得的新涂層的成果。
刀具磨損情況
在加工過程中，刀具將出現(xiàn)幾種磨損情況。刀具本身必須要能耐受高溫、高壓、磨損和熱沖擊。在切削過程中，刃口溫度將超過1000℃。在此高溫下，刀具的粘合劑及其它構(gòu)成部分會出現(xiàn)退化，并導致刀具和工件之間出現(xiàn)有害的化學反應。切削過程總是伴有摩損的發(fā)生，刀具和工件切入接觸時的壓力大于140bar(2000PSI)。
熱沖擊——刀具急冷急熱，這是銑削加工中普遍發(fā)生的。刀片在切削過程中加熱，在離開切削面時冷卻。在銑削和切削斷續(xù)的加工表面時會有機械沖擊。車削中有時會有機械沖擊，具體根據(jù)操作情況和工件條件的不同而有所不同。在工件與刀具發(fā)生粘結(jié)時(產(chǎn)生積屑瘤)會出現(xiàn)粘結(jié)磨損。
CVD和PVD的氧化鋁涂層
如今CVD氧化鋁涂層刀片在工業(yè)上得到廣泛應用，CVD氧化鋁涂層的性能也得到廣泛認知。由于氧化鋁的高硬度(尤其是在高溫下)、高氧化溫度(>1000℃)、化學惰性和低導熱率，氧化鋁涂層刀具的性能得到很大提高。然而，CVD工藝過程通常需要在800℃～1000℃的高溫下進行，這就限制了CVD工藝在硬質(zhì)合金底基上的應用。由于硬質(zhì)合金刀具變脆將導致韌性的降低。而PVD工藝過程因其400℃～600℃的低沉積溫度，較之于CVD工藝有明顯的優(yōu)點。
以PVD工藝制作氧化鋁涂層的主要限制因素在于沉積過程中絕緣層沉積在涂層系統(tǒng)內(nèi)部的所有表面，包括底基和底基座、靶材侵蝕面外的靶材部分和真空腔內(nèi)壁。這將導致由于靶材“中毒”和陽極消失而引起的偏壓電源和陰極(電弧)電源的不穩(wěn)定情況。解決此問題比較成功的兩個技術(shù)是：RF(射頻)濺射和BP-DMS(兩極脈沖雙磁控濺射)。
氧化鋁涂層設(shè)備
PVD氧化鋁系統(tǒng)應能以較高的沉積速率(短工作周期)沉積最低限度的γ-相氧化鋁，并且具有穩(wěn)定的涂層特性。系統(tǒng)應能夠在高溫下運行并且技術(shù)本身成本不高。最好用單陰極系統(tǒng)，這樣可將現(xiàn)存設(shè)備升級為可鍍氧化鋁的涂層設(shè)備。豪澤公司的T-模式控制系統(tǒng)可使靶材表面在氧化沉積過程中處于過渡狀態(tài)，這要求專門的陰極的設(shè)計和閉合磁場內(nèi)的非平衡磁控。為得到最佳的反應氣體引入，采用了特殊的控制系統(tǒng)。在約兩年的時間內(nèi)在幾個生產(chǎn)設(shè)備上得到驗證了此系統(tǒng)。
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