采取 电弧和磁控溅射夹杂 工艺的氧化铝涂层手艺 及运用

氧化铝概述

　　氧化铝薄膜具有许多 优良 的材料特征 ，分外是高温不变性、化学不变性和低导热性。现在氧化铝薄膜被普遍 运用 在硬质合金刀片上作为耐磨涂层材料。虽然 具有这些优良 的特征 ，可是氧化铝薄膜并没有被普遍 运用 到其它范畴 ，首要 缘由 是现今 的行业尺度 依然 是竖立 在热化学气相沉积（CVD）工艺根蒂根基 上的。

　　虽然CVD工艺具有许多 长处 ，但也有显著的弱点，即工艺进程 所要求的高温（1000℃）。豪泽公司开辟 出了一种新工艺，可以或许 在350℃～600℃的尺度 温度下经由过程 物理气相沉积溅射方式 （PVDsputtering）沉积氧化铝，如许 就年夜 年夜 拓展了其运用 规模。

　　自从2005年豪泽公司在欧洲机床博览会 EMO上公布 Al2O3的PVD涂层方面获得 重年夜 冲破 以来，豪泽公司就已 起头与世界首要 刀具制造商和氧化铝模铸模具用户合作进行实验 项目。下面将对涂层特征 进行接头，并介绍这类 经由过程 电弧和磁控溅弓手 艺 相连系 的夹杂 工艺进行沉积所获得 的新涂层的功效 。

　　刀具磨损环境

　　在加工进程 中，刀具将泛起 几种磨损环境。刀具自己 必需 要本事 受高温、高压、磨损和热冲击。在切削进程 中，刃口温度将跨越 1000℃。在此高温下，刀具的粘合剂及其它组成 部门会泛起 退化，并致使 刀具和工件之间泛起 有害的化学回响反映 。切削进程 老是 伴随 摩损的发生，刀具和工件切入接触时的压力年夜 于140bar（2000PSI）。

　　热冲击——刀具急冷急热，这是铣削加工中普遍发生的。刀片在切削进程 中加热，在分开切削面时冷却。在铣削和切削断续的加工概况时会有机械冲击。车削中有时会有机械冲击，具体按照操作环境和工件前提 的分歧 而有所分歧 。在工件与刀具发生粘结时（发生 积屑瘤）会泛起 粘结磨损。

　　CVD和PVD的氧化铝涂层

　　现在 CVD氧化铝涂层刀片在工业上获得 普遍 运用 ，CVD氧化铝涂层的机能 也获得 普遍 认知。由于氧化铝的高硬度（特别 是在高温下）、高氧化温度（>1000℃）、化学惰性和低导热率，氧化铝涂层刀具的机能 获得 很年夜 提高。但是 ，CVD工艺进程 每每需要在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运用 。由于硬质合金刀具变脆将致使 韧性的下降 。而PVD工艺进程 因其400℃～600℃的低落积温度，较之于CVD工艺有显著的长处 。

　　以PVD工艺建造 氧化铝涂层的首要 限制身分 在于沉积进程 中绝缘层沉积在涂层系统内部的所有概况，包罗底基和底基座、靶材腐蚀 面外的靶材部门和真空腔内壁。这将致使 由于靶材“中毒”和阳极消掉 而引发 的偏压电源和阴极（电弧）电源的不不变环境。解决此问题对照 成功的两个手艺 是：RF（射频）溅射和BP－DMS（南北极 脉冲双磁控溅射）。

　　氧化铝涂层装备

　　PVD氧化铝系统应能以较高的沉积速度 （短工作周期）沉积最低限度的γ－相氧化铝，而且 具有不变的涂层特征 。系统应可以或许 在高温下运行而且 手艺 自己 本钱 不高。最好用单阴极系统，如许 可将现存装备 进级 为可镀氧化铝的涂层装备 。豪泽公司的T－模式节制 系统可以使 靶材概况在氧化沉积进程 中处于过渡状况 ，这要求专门的阴极的设计和闭合磁场内的非均衡 磁控。为获得 最好 的回响反映 气体引入，采取 了非凡 的节制 系统。在约两年的时候 内涵 几个临盆 装备 上获得 验证了此系统。

涂层的优化

　　最初的工作集中在竖立 准确 的化学计量氧化铝涂层感化 点。对影响工艺进程 的一些参数进行了研究，如偏压、UBM线圈电流、温度、气体分压（氩气/氧气）及阴极电源等。

　　离子轰击影响涂层的硬度，这需要从偏压上处置惩罚 ，偏压应足够高，可是要低于阈限，以免 氩离子注入。鉴于涂层是绝缘体，利用 脉冲偏压，同时脉冲偏压也能够 限制电弧对底基的影响。必需 按照涂层的厚度和硬度，对偏压进行优化。

　　面层是由溅射镀膜获得的，是以 相对对照 平整。而底层涂层是由电弧镀膜获得的，其粗拙 度可以从面层涂层检测到。溅射镀膜的氧化铝涂层比电弧蒸发获得的氧化铝涂层平整，由于 铝较低的熔点轻易 发生 许多 液滴，即便 采取 脉冲模式的电弧蒸发也是如斯 。高硬度氧化铝需要高的离子密度才能获得 ，可以使 用双磁控溅射（即在一台装备 内利用 两个阴极）或 利用 闭合磁场结构 。在后一种环境中，等离子体前提 下的高离子密度伴随 支撑 非均衡 磁控的磁场。离子密度可以经由过程 磁场线圈的电流来调剂 。为了构成 闭合磁场，每一个相邻的UBM线圈发生 偏向 相反的磁场。对应阴极也作响应 设计。丈量 偏压电流的改变可以丈量 到电离密度的加强 水平 。经由过程 此方式 ，增添 了涂层密度，也提高了其硬度。提高线圈电流可以增添 偏压电流，直到磁场强度到达 饱和。到达 饱和点后，提高线圈电流不再增添 偏压电流。饱和后的环境会在涂层的硬度上表现 出来。

　　机能 测试

　　对涂层做SEM（扫描电子显微镜）和HRTEM（高分辩 透射电镜）检测。断面图清楚 地透露表现 出刀片上AlTiN和Al2O3的结构和HRTEM剖析 的TiAlN－Al界面。从中可以看出Al层和fcc晶体结构TiAlN连系 优越 。另外，经由过程 GIXRD（低负X射线衍射法）和SAED（选区电子衍射像法）结构剖析 讲明其为γ－相非晶体氧化铝涂层。晶格尺寸5－10nm。

　　工业运用 前景——铝模铸

　　建造 铝模铸用模具的传统方式 是真空渗氮，然后金属电镀。利用 PVD方式 制造的铝制泵体用模具可以或许 承受9000次铸模，直到模具概况磨损到不克不及 利用 的水平 。磨损机理是模具楞面由于高打针 压力而泛起 的磨损。另外 ，与铝的粘结磨损占磨损的很年夜 比重。由于 铸模温度很高（>600℃），也存在热磨损。在修磨和从头电镀后，工作寿命下降到4500次。AlTiN＋Al2O3涂层可以或许 很好地避免 热冲击酿成的 碎裂 。此涂层的另外一 个长处 是其惰性，可以免 铝粘结到模具概况。模具的平均故障时候 耽误 了一倍。

　　结语

　　1．T－模式手艺 实现了在温度>450℃，以高沉积速度 沉积γ－相氧化铝。

　　2．涂层调剂 到抱负的机能 。离化率是获得 高硬度晶状体涂层的决议身分 。

　　3．现场刀片实验 讲明此涂层在切削加工方面有很好的机能 。

　　4．对不锈钢、Ti合金和Ni合金的切削机能 有显著提高。

　　5．现场实验 讲明此涂层对铝铸模机能 有显著的提高。

　　6．粘结（积屑瘤构成 ）削减 ，抗磨损能力提高。