[PVD]利用4G-CAE?陰極電弧技術鍍制氧化鋁涂層
發布時間：2019-07-02
在現代機械加工中，隨著高速加工和干式切削應用越來越多，嚴苛的工況會在涂層刀具表面產生很高的溫度，空氣中的氧氣會向涂層內部擴散，與涂層內部的元素發生化學反應，造成涂層的氧化分解，引起涂層硬度的下降，進而導致涂層失效和剝落，刀具失去涂層的保護也無法繼續使用。因此，如果能夠涂覆一種具有很好的隔熱性能和化學穩定性能的涂層，就可以提高刀具涂層在高溫下的紅硬性，進而提高涂層刀具的使用壽命。根據“威德曼-弗朗茲定律”，在給定溫度下（除了在低溫條件下），許多金屬材料的熱導率和電導率的比值都是一個常數，由此可以推論出，良好的隔熱性，取決于涂層材料的絕緣性。氧化鋁就是一種絕緣性能很好的材料，氧化鋁涂層也具有良好的隔熱性能，而且還具有很好的化學穩定性，能夠有效阻斷刀具與被加工件之間的元素擴散和化學磨損。
在氣相沉積技術領域，利用CVD技術和PVD技術都可以沉積氧化鋁涂層。在硬質合金刀片行業，利用CVD技術沉積氧化鋁涂層工藝成熟、應用廣泛，但由于CVD的α-Al2O3沉積溫度較高，在硬質合金表面產生脫碳相，造成強度下降，導致刀片在金屬切削加工中的應用受到一定的限制。另外，由于沉積溫度過高，CVD方法幾乎無法在常規鋼質零件表面進行涂層。
利用PVD方法，制備的AlTiN和AlCrN是繼TiN之后開發的性能優良的防護涂層，在刀具涂層行業被廣泛使用，在高溫下Al原子向涂層表面擴散，并與空氣中的氧氣發生化學反應，形成一層致密的氧化鋁薄膜，這層薄膜可以隔絕溫度的傳導和元素的擴散，形成對下面硬質涂層的保護，這種高鋁系列涂層的抗氧化溫度由TiN的600℃提高到1000℃以上，顯著提高了涂層刀具的使用壽命，但是這個系列涂層也有一定的使用限制，特別是針對重載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方法直接沉積氧化鋁涂層的研發報道很多，但是能夠成熟應用到工業批量生產中的非常少。氧化鋁涂層的絕緣特性使物理氣相沉積（PVD）工藝相當難于控制，主要原因有：①O2更易于在陰極靶面上發生反應，生成氧化物，從而造成陰極放電的失敗，不能正常輸出所需要的元素，產生蒸發源材料靶面的“中毒”現象。②絕緣體正電荷的積聚所產生的電場阻礙了沉積的進行。③離子能量低，不足以實現金屬氮化物到絕緣氧化物涂層的過渡，并獲得良好的結合力。④在相對低的溫度條件下，無法調控α-Al2O3的生長的問題。
丹普公司利用4G-CAE®陰極電弧技術可以在低溫下（500℃以下）穩定的制備出氧化鋁涂層。在4G-CAE®脈沖復合磁場軸向推進技術的驅動下，Al離子被推進至工件表面與氧氣發生化學反應，這樣就有效避免了氧氣在靶材靶面上發生反應，造成靶面中毒，從而造成陰極放電的失敗，另外，這種脈沖推進技術大大提高了Al離子的離化率和能量，保證了最佳的結合強度和有效控制氧化鋁的生長，制備出具有很好絕緣性能的氧化鋁涂層，配合脈沖偏壓技術消除絕緣體正電荷積聚產生的電場，使得整個制備過程更加穩定。
利用4G-CAE®技術制備的氧化鋁涂層特點如下：
1. 沉積工藝穩定，可實現大批量工業生產；
2. 沉積速率可以達到1~2微米/小時；
3. 沉積厚度最高可達5微米；
4. 涂層硬度達到2500HK；
5. 阻值可達10兆歐；
6. 可以搭配各種氮化物硬質涂層使用，能夠應用于各種材料表面、以及各種應用工況環境下；
7. 可以實現其他金屬氧化物的沉積，例如氧化鋯、氧化鉻、氧化鉭等。
4G-CAE®技術制備的氧化鋁涂層的應用：
TiAl/AlCrSiMeN/AlOx是專門為硬質合金刀片開發的納米復合涂層，在精車、半精車和半粗車的切斷刀、車刀片上應用效果展現非常優異，在加工不銹鋼材料時，通過批量對比，比在用的某國外品牌涂層刀片壽命提高2倍。
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