1 引言
由于氧化鋁薄膜具有令人關(guān)注的優(yōu)異性能，如高溫穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、低的熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率等，目前利用化學(xué)氣相沉積(CVD)涂覆氧化鋁薄膜作為耐磨涂層材料已廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金切削刀片。它在其它領(lǐng)域沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用的主要原因是這類涂層的工業(yè)規(guī)模制備需利用高溫CVD進(jìn)行處理。雖然CVD處理方法有許多優(yōu)點(diǎn)，但其最大的缺點(diǎn)是在處理過(guò)程中需要高溫(1000℃)。
利用物理氣相沉積(PVD)濺射技術(shù)在350～600℃的溫度范圍內(nèi)沉積氧化鋁，是由豪澤(Hauzer)技術(shù)鍍層公司開發(fā)的一種新工藝。該工藝大大拓寬了氧化鋁的應(yīng)用領(lǐng)域，低的沉積溫度使它能在其它材料如高速鋼和模具鋼上能進(jìn)行涂鍍處理。
圖 豪澤的HTC-1000
最初，涂層的開發(fā)是在Hauzer Flexicoat 750上開展的，其后這個(gè)過(guò)程被轉(zhuǎn)移到一個(gè)生產(chǎn)型涂鍍?cè)O(shè)備HTC-1000上進(jìn)行。該技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)化和重新設(shè)計(jì)是與德國(guó)Tubingen硬質(zhì)合金切削刀具的主要供應(yīng)商Walter AG合作進(jìn)行的。
2 工藝過(guò)程
新的涂層系統(tǒng)采用復(fù)合涂層技術(shù)，結(jié)合陰極電弧鍍和磁控濺射，電弧層作為過(guò)渡層或?yàn)檎麄�(gè)涂層系統(tǒng)提供必需的耐磨性，而氧化鋁則提供高溫和化學(xué)穩(wěn)定性。
系統(tǒng)配置有幾個(gè)電弧和磁控濺射陰極。零件在沉積前要加熱到工藝溫度并且系統(tǒng)要抽至低真空度;其后，用氬離子或金屬離子刻蝕清潔工件表面;接著沉積電弧層，氧化鋁頂層是利用金屬靶在氬和氧混合氣氛中的PVD濺射沉積所成。此外，在特殊應(yīng)用中，氧化鋁涂層也可以在沒(méi)有底層的情況下單層使用。氧化鋁涂層采用HauzerT模式沉積技術(shù)制備而成。T模式技術(shù)是由特殊設(shè)計(jì)的濺射陰極結(jié)合優(yōu)化的氣體分布系統(tǒng)來(lái)體現(xiàn)其特性的，通過(guò)電磁感應(yīng)線圈在基體周圍產(chǎn)生閉合磁場(chǎng)來(lái)提供高離化率的等離子體，以達(dá)到涂層性能的要求。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是處理過(guò)程易于控制，穩(wěn)定性好，重復(fù)性佳，沉積速率(≥0.5μm/h)足以達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn)中較節(jié)省的處理時(shí)間。
3 氧化鋁涂層的工業(yè)化前景
在Flexicoat 750系統(tǒng)開發(fā)初始工藝的基礎(chǔ)上，此工藝被轉(zhuǎn)移到工業(yè)規(guī)模的HTC-1000設(shè)備。Walter AG是在硬質(zhì)合金刀片和工具的數(shù)據(jù)管理上具有主導(dǎo)地位的生產(chǎn)商，擁有長(zhǎng)期使用豪澤設(shè)備的經(jīng)驗(yàn)。
氧化鋁涂層廣泛應(yīng)用于硬質(zhì)合金的刀片，其優(yōu)點(diǎn)是能降低凹坑磨損和熱破裂。氧化鋁涂層通常采用CVD方法沉積。由于沉積溫度高、碳化物易脆化，致使在金屬切削(主要是銑削加工)方面的應(yīng)用受到限制。在實(shí)際應(yīng)用中，由于新的氧化鋁PVD工藝沉積溫度低，可以實(shí)現(xiàn)刀片的切削刃所需要的高韌性，特別是在銑削不銹鋼或難加工材料時(shí)，新的氧化鋁涂層與傳統(tǒng)的PVD涂層相比，其性能提高了2倍。
在重新設(shè)計(jì)和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，選定AlTiN+氧化鋁涂層系統(tǒng)。氧化鋁涂層工藝的優(yōu)化主要體現(xiàn)在提高涂層的性能上，如硬度和結(jié)構(gòu)，優(yōu)化目標(biāo)是使新涂層在銑削加工方面與目前的AlTiN涂層技術(shù)相比能獲得更好的性能。由新涂層的橫截面顯微照片可見(jiàn)，在硬質(zhì)合金基體材料上可清晰見(jiàn)到3μm厚的AlTiN層和1μm厚的氧化鋁層。
用高分辨透射電鏡(HRTEM)來(lái)研究分析AlTiN-Al2O3的界面。由分析結(jié)果可見(jiàn)，氧化鋁層與面心立方(fcc)晶體AlTiN層結(jié)合良好。此外，采用掠角X光衍射(GIXRD)和選區(qū)電子衍射(SAED)分析氧化鋁涂層的結(jié)構(gòu)為納米晶的γ-相，晶粒尺寸約為5～10nm。最初的切削試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)的SP12刀片干銑42CrMo4鋼，由新涂層刀片和AlTiN涂層刀片的平均磨損量和最大磨損量對(duì)比可知，氧化鋁涂層刀片比AlTiN涂層刀片具有更好的抗熱破裂和耐磨性。
4 結(jié)論
新的氧化鋁涂層技術(shù)已成功地應(yīng)用到工業(yè)涂層設(shè)備上，工藝穩(wěn)定，可重復(fù)性強(qiáng)。通過(guò)上述銑削加工試驗(yàn)，證實(shí)了新氧化鋁涂層用于刀片涂鍍處理的可行性，Walter在2005年漢諾威EMO展覽會(huì)上展示了使用新的氧化鋁涂層技術(shù)的硬質(zhì)合金刀片。