采取 電弧和磁控濺射夾雜 工藝的氧化鋁涂層手藝 及運用

氧化鋁概述

　　氧化鋁薄膜具有許多 優(yōu)良 的材料特征 ，分外是高溫不變性、化學不變性和低導熱性?，F(xiàn)在氧化鋁薄膜被普遍 運用 在硬質(zhì)合金刀片上作為耐磨涂層材料。雖然 具有這些優(yōu)良 的特征 ，可是氧化鋁薄膜并沒有被普遍 運用 到其它范疇 ，首要 緣由 是現(xiàn)今 的行業(yè)尺度 依然 是豎立 在熱化學氣相沉積（CVD）工藝根蒂根基 上的。

　　雖然CVD工藝具有許多 長處 ，但也有顯著的弱點，即工藝進程 所要求的高溫（1000℃）。豪澤公司開辟 出了一種新工藝，可以或許 在350℃～600℃的尺度 溫度下經(jīng)由過程 物理氣相沉積濺射方式 （PVDsputtering）沉積氧化鋁，如許 就年夜 年夜 拓展了其運用 規(guī)模。

　　自從2005年豪澤公司在歐洲機床博覽會 EMO上公布 Al2O3的PVD涂層方面獲得 重年夜 沖破 以來，豪澤公司就已 起頭與世界首要 刀具制造商和氧化鋁模鑄模具用戶合作進行實驗 項目。下面將對涂層特征 進行接頭，并介紹這類 經(jīng)由過程 電弧和磁控濺弓手 藝 相連系 的夾雜 工藝進行沉積所獲得 的新涂層的功效 。

　　刀具磨損環(huán)境

　　在加工進程 中，刀具將泛起 幾種磨損環(huán)境。刀具自己 必需 要本事 受高溫、高壓、磨損和熱沖擊。在切削進程 中，刃口溫度將跨越 1000℃。在此高溫下，刀具的粘合劑及其它組成 部門會泛起 退化，并致使 刀具和工件之間泛起 有害的化學回響反映 。切削進程 老是 伴隨 摩損的發(fā)生，刀具和工件切入接觸時的壓力年夜 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。刀片在切削進程 中加熱，在分開切削面時冷卻。在銑削和切削斷續(xù)的加工概況時會有機械沖擊。車削中有時會有機械沖擊，具體按照操作環(huán)境和工件前提 的分歧 而有所分歧 。在工件與刀具發(fā)生粘結(jié)時（發(fā)生 積屑瘤）會泛起 粘結(jié)磨損。

　　CVD和PVD的氧化鋁涂層

　　現(xiàn)在 CVD氧化鋁涂層刀片在工業(yè)上獲得 普遍 運用 ，CVD氧化鋁涂層的機能 也獲得 普遍 認知。由于氧化鋁的高硬度（特別 是在高溫下）、高氧化溫度（>1000℃）、化學惰性和低導熱率，氧化鋁涂層刀具的機能 獲得 很年夜 提高。但是 ，CVD工藝進程 每每需要在800℃～1000℃的高溫下進行，這就限制了CVD工藝在硬質(zhì)合金底基上的運用 。由于硬質(zhì)合金刀具變脆將致使 韌性的下降 。而PVD工藝進程 因其400℃～600℃的低落積溫度，較之于CVD工藝有顯著的長處 。

　　以PVD工藝建造 氧化鋁涂層的首要 限制身分 在于沉積進程 中絕緣層沉積在涂層系統(tǒng)內(nèi)部的所有概況，包羅底基和底基座、靶材腐蝕 面外的靶材部門和真空腔內(nèi)壁。這將致使 由于靶材“中毒”和陽極消掉 而引發(fā) 的偏壓電源和陰極（電弧）電源的不不變環(huán)境。解決此問題對照 成功的兩個手藝 是：RF（射頻）濺射和BP－DMS（南北極 脈沖雙磁控濺射）。

　　氧化鋁涂層裝備

　　PVD氧化鋁系統(tǒng)應能以較高的沉積速度 （短工作周期）沉積最低限度的γ－相氧化鋁，而且 具有不變的涂層特征 。系統(tǒng)應可以或許 在高溫下運行而且 手藝 自己 本錢 不高。最好用單陰極系統(tǒng)，如許 可將現(xiàn)存裝備 進級 為可鍍氧化鋁的涂層裝備 。豪澤公司的T－模式節(jié)制 系統(tǒng)可以使 靶材概況在氧化沉積進程 中處于過渡狀況 ，這要求專門的陰極的設(shè)計和閉合磁場內(nèi)的非均衡 磁控。為獲得 最好 的回響反映 氣體引入，采取 了非凡 的節(jié)制 系統(tǒng)。在約兩年的時候 內(nèi)涵 幾個臨盆 裝備 上獲得 驗證了此系統(tǒng)。

涂層的優(yōu)化

　　最初的工作集中在豎立 準確 的化學計量氧化鋁涂層感化 點。對影響工藝進程 的一些參數(shù)進行了研究，如偏壓、UBM線圈電流、溫度、氣體分壓（氬氣/氧氣）及陰極電源等。

　　離子轟擊影響涂層的硬度，這需要從偏壓上處置懲罰 ，偏壓應足夠高，可是要低于閾限，以免 氬離子注入。鑒于涂層是絕緣體，利用 脈沖偏壓，同時脈沖偏壓也能夠 限制電弧對底基的影響。必需 按照涂層的厚度和硬度，對偏壓進行優(yōu)化。

　　面層是由濺射鍍膜獲得的，是以 相對對照 平整。而底層涂層是由電弧鍍膜獲得的，其粗拙 度可以從面層涂層檢測到。濺射鍍膜的氧化鋁涂層比電弧蒸發(fā)獲得的氧化鋁涂層平整，由于 鋁較低的熔點輕易 發(fā)生 許多 液滴，即便 采取 脈沖模式的電弧蒸發(fā)也是如斯 。高硬度氧化鋁需要高的離子密度才能獲得 ，可以使 用雙磁控濺射（即在一臺裝備 內(nèi)利用 兩個陰極）或 利用 閉合磁場結(jié)構(gòu) 。在后一種環(huán)境中，等離子體前提 下的高離子密度伴隨 支撐 非均衡 磁控的磁場。離子密度可以經(jīng)由過程 磁場線圈的電流來調(diào)劑 。為了構(gòu)成 閉合磁場，每一個相鄰的UBM線圈發(fā)生 偏向 相反的磁場。對應陰極也作響應 設(shè)計。丈量 偏壓電流的改變可以丈量 到電離密度的加強 水平 。經(jīng)由過程 此方式 ，增添 了涂層密度，也提高了其硬度。提高線圈電流可以增添 偏壓電流，直到磁場強度到達 飽和。到達 飽和點后，提高線圈電流不再增添 偏壓電流。飽和后的環(huán)境會在涂層的硬度上表現(xiàn) 出來。

　　機能 測試

　　對涂層做SEM（掃描電子顯微鏡）和HRTEM（高分辯 透射電鏡）檢測。斷面圖清楚 地透露表現(xiàn) 出刀片上AlTiN和Al2O3的結(jié)構(gòu)和HRTEM剖析 的TiAlN－Al界面。從中可以看出Al層和fcc晶體結(jié)構(gòu)TiAlN連系 優(yōu)越 。另外，經(jīng)由過程 GIXRD（低負X射線衍射法）和SAED（選區(qū)電子衍射像法）結(jié)構(gòu)剖析 講明其為γ－相非晶體氧化鋁涂層。晶格尺寸5－10nm。

　　工業(yè)運用 前景——鋁模鑄

　　建造 鋁模鑄用模具的傳統(tǒng)方式 是真空滲氮，然后金屬電鍍。利用 PVD方式 制造的鋁制泵體用模具可以或許 承受9000次鑄模，直到模具概況磨損到不克不及 利用 的水平 。磨損機理是模具楞面由于高打針 壓力而泛起 的磨損。另外 ，與鋁的粘結(jié)磨損占磨損的很年夜 比重。由于 鑄模溫度很高（>600℃），也存在熱磨損。在修磨和從頭電鍍后，工作壽命下降到4500次。AlTiN＋Al2O3涂層可以或許 很好地避免 熱沖擊釀成的 碎裂 。此涂層的另外一 個長處 是其惰性，可以免 鋁粘結(jié)到模具概況。模具的平均故障時候 耽誤 了一倍。

　　結(jié)語

　　1．T－模式手藝 實現(xiàn)了在溫度>450℃，以高沉積速度 沉積γ－相氧化鋁。

　　2．涂層調(diào)劑 到抱負的機能 。離化率是獲得 高硬度晶狀體涂層的決議身分 。

　　3．現(xiàn)場刀片實驗 講明此涂層在切削加工方面有很好的機能 。

　　4．對不銹鋼、Ti合金和Ni合金的切削機能 有顯著提高。

　　5．現(xiàn)場實驗 講明此涂層對鋁鑄模機能 有顯著的提高。

　　6．粘結(jié)（積屑瘤構(gòu)成 ）削減 ，抗磨損能力提高。