[PVD]利用4G-CAE®阴极电弧技术镀制氧化铝涂层
2019-07-02
在现代机械加工中，随着高速加工和干式切削应用越来越多，严苛的工况会在涂层刀具表面产生很高的温度，空气中的氧气会向涂层内部扩散，与涂层内部的元素发生化学反应，造成涂层的氧化分解，引起涂层硬度的下降，进而导致涂层失效和剥落，刀具失去涂层的保护也无法继续使用。因此，如果能够涂覆一种具有很好的隔热性能和化学稳定性能的涂层，就可以提高刀具涂层在高温下的红硬性，进而提高涂层刀具的使用寿命。
根据“威德曼-弗朗兹定律”，在给定温度下（除了在低温条件下），许多金属材料的热导率和电导率的比值都是一个常数，由此可以推论出，良好的隔热性，取决于涂层材料的绝缘性。氧化铝就是一种绝缘性能很好的材料，氧化铝涂层也具有良好的隔热性能，而且还具有很好的化学稳定性，能够有效阻断刀具与被加工件之间的元素扩散和化学磨损。
在气相沉积技术领域，利用CVD技术和PVD技术都可以沉积氧化铝涂层。在硬质合金刀片行业，利用CVD技术沉积氧化铝涂层工艺成熟、应用广泛，但由于CVD的α-Al2O3沉积温度较高，在硬质合金表面产生脱碳相，造成强度下降，导致刀片在金属切削加工中的应用受到一定的限制。另外，由于沉积温度过高，CVD方法几乎无法在常规钢质零件表面进行涂层。
利用PVD方法，制备的AlTiN和AlCrN是继TiN之后开发的性能优良的防护涂层，在刀具涂层行业被广泛使用，在高温下Al原子向涂层表面扩散，并与空气中的氧气发生化学反应，形成一层致密的氧化铝薄膜，这层薄膜可以隔绝温度的传导和元素的扩散，形成对下面硬质涂层的保护，这种高铝系列涂层的抗氧化温度由TiN的600℃提高到1000℃以上，显著提高了涂层刀具的使用寿命，但是这个系列涂层也有一定的使用限制，特别是针对重载切削和一些特殊材料的切削，使用效果也并不理想。
目前利用PVD方法直接沉积氧化铝涂层的研发报道很多，但是能够成熟应用到工业批量生产中的非常少。氧化铝涂层的绝缘特性使物理气相沉积（PVD）工艺相当难于控制，主要原因有：①O2更易于在阴极靶面上发生反应，生成氧化物，从而造成阴极放电的失败，不能正常输出所需要的元素，产生蒸发源材料靶面的“中毒”现象。②绝缘体正电荷的积聚所产生的电场阻碍了沉积的进行。③离子能量低，不足以实现金属氮化物到绝缘氧化物涂层的过渡，并获得良好的结合力。④在相对低的温度条件下，无法调控α-Al2O3的生长的问题。
丹普公司利用4G-CAE®阴极电弧技术可以在低温下（500℃以下）稳定的制备出氧化铝涂层。在4G-CAE®脉冲复合磁场轴向推进技术的驱动下，Al离子被推进至工件表面与氧气发生化学反应，这样就有效避免了氧气在靶材靶面上发生反应，造成靶面中毒，从而造成阴极放电的失败，另外，这种脉冲推进技术大大提高了Al离子的离化率和能量，保证了最佳的结合强度和有效控制氧化铝的生长，制备出具有很好绝缘性能的氧化铝涂层，配合脉冲偏压技术消除绝缘体正电荷积聚产生的电场，使得整个制备过程更加稳定。
利用4G-CAE®技术制备的氧化铝涂层特点如下：
1. 沉积工艺稳定，可实现大批量工业生产；
2. 沉积速率可以达到1~2微米/小时；
3. 沉积厚度最高可达5微米；
4. 涂层硬度达到2500HK；
5. 阻值可达10兆欧；
6. 可以搭配各种氮化物硬质涂层使用，能够应用于各种材料表面、以及各种应用工况环境下；
7. 可以实现其他金属氧化物的沉积，例如氧化锆、氧化铬、氧化钽等。
4G-CAE®技术制备的氧化铝涂层的应用：
TiAl/AlCrSiMeN/AlOx是专门为硬质合金刀片开发的纳米复合涂层，在精车、半精车和半粗车的切断刀、车刀片上应用效果展现非常优异，在加工不锈钢材料时，通过批量对比，比在用的某国外品牌涂层刀片寿命提高2倍。
根据“威德曼-弗朗兹定律”，在给定温度下（除了在低温条件下），许多金属材料的热导率和电导率的比值都是一个常数，由此可以推论出，良好的隔热性，取决于涂层材料的绝缘性。氧化铝就是一种绝缘性能很好的材料，氧化铝涂层也具有良好的隔热性能，而且还具有很好的化学稳定性，能够有效阻断刀具与被加工件之间的元素扩散和化学磨损。
在气相沉积技术领域，利用CVD技术和PVD技术都可以沉积氧化铝涂层。在硬质合金刀片行业，利用CVD技术沉积氧化铝涂层工艺成熟、应用广泛，但由于CVD的α-Al2O3沉积温度较高，在硬质合金表面产生脱碳相，造成强度下降，导致刀片在金属切削加工中的应用受到一定的限制。另外，由于沉积温度过高，CVD方法几乎无法在常规钢质零件表面进行涂层。
利用PVD方法，制备的AlTiN和AlCrN是继TiN之后开发的性能优良的防护涂层，在刀具涂层行业被广泛使用，在高温下Al原子向涂层表面扩散，并与空气中的氧气发生化学反应，形成一层致密的氧化铝薄膜，这层薄膜可以隔绝温度的传导和元素的扩散，形成对下面硬质涂层的保护，这种高铝系列涂层的抗氧化温度由TiN的600℃提高到1000℃以上，显著提高了涂层刀具的使用寿命，但是这个系列涂层也有一定的使用限制，特别是针对重载切削和一些特殊材料的切削，使用效果也并不理想。
目前利用PVD方法直接沉积氧化铝涂层的研发报道很多，但是能够成熟应用到工业批量生产中的非常少。氧化铝涂层的绝缘特性使物理气相沉积（PVD）工艺相当难于控制，主要原因有：①O2更易于在阴极靶面上发生反应，生成氧化物，从而造成阴极放电的失败，不能正常输出所需要的元素，产生蒸发源材料靶面的“中毒”现象。②绝缘体正电荷的积聚所产生的电场阻碍了沉积的进行。③离子能量低，不足以实现金属氮化物到绝缘氧化物涂层的过渡，并获得良好的结合力。④在相对低的温度条件下，无法调控α-Al2O3的生长的问题。
丹普公司利用4G-CAE®阴极电弧技术可以在低温下（500℃以下）稳定的制备出氧化铝涂层。在4G-CAE®脉冲复合磁场轴向推进技术的驱动下，Al离子被推进至工件表面与氧气发生化学反应，这样就有效避免了氧气在靶材靶面上发生反应，造成靶面中毒，从而造成阴极放电的失败，另外，这种脉冲推进技术大大提高了Al离子的离化率和能量，保证了最佳的结合强度和有效控制氧化铝的生长，制备出具有很好绝缘性能的氧化铝涂层，配合脉冲偏压技术消除绝缘体正电荷积聚产生的电场，使得整个制备过程更加稳定。
利用4G-CAE®技术制备的氧化铝涂层特点如下：
1. 沉积工艺稳定，可实现大批量工业生产；
2. 沉积速率可以达到1~2微米/小时；
3. 沉积厚度最高可达5微米；
4. 涂层硬度达到2500HK；
5. 阻值可达10兆欧；
6. 可以搭配各种氮化物硬质涂层使用，能够应用于各种材料表面、以及各种应用工况环境下；
7. 可以实现其他金属氧化物的沉积，例如氧化锆、氧化铬、氧化钽等。
4G-CAE®技术制备的氧化铝涂层的应用：
TiAl/AlCrSiMeN/AlOx是专门为硬质合金刀片开发的纳米复合涂层，在精车、半精车和半粗车的切断刀、车刀片上应用效果展现非常优异，在加工不锈钢材料时，通过批量对比，比在用的某国外品牌涂层刀片寿命提高2倍。