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[PVD]利用4G-CAE?陰極電弧技術(shù)鍍制氧化鋁涂層

發(fā)布時(shí)間：2019-07-02

　　在現(xiàn)代機(jī)械加工中，隨著高速加工和干式切削應(yīng)用越來(lái)越多，嚴(yán)苛的工況會(huì)在涂層刀具表面產(chǎn)生很高的溫度，空氣中的氧氣會(huì)向涂層內(nèi)部擴(kuò)散，與涂層內(nèi)部的元素發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，造成涂層的氧化分解，引起涂層硬度的下降，進(jìn)而導(dǎo)致涂層失效和剝落，刀具失去涂層的保護(hù)也無(wú)法繼續(xù)使用。因此，如果能夠涂覆一種具有很好的隔熱性能和化學(xué)穩(wěn)定性能的涂層，就可以提高刀具涂層在高溫下的紅硬性，進(jìn)而提高涂層刀具的使用壽命。

　　根據(jù)“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(dǎo)率和電導(dǎo)率的比值都是一個(gè)常數(shù)，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(xué)穩(wěn)定性，能夠有效阻斷刀具與被加工件之間的元素?cái)U(kuò)散和化學(xué)磨損。

　　在氣相沉積技術(shù)領(lǐng)域，利用CVD技術(shù)和PVD技術(shù)都可以沉積氧化鋁涂層。在硬質(zhì)合金刀片行業(yè)，利用CVD技術(shù)沉積氧化鋁涂層工藝成熟、應(yīng)用廣泛，但由于CVD的α-Al2O3沉積溫度較高，在硬質(zhì)合金表面產(chǎn)生脫碳相，造成強(qiáng)度下降，導(dǎo)致刀片在金屬切削加工中的應(yīng)用受到一定的限制。另外，由于沉積溫度過(guò)高，CVD方法幾乎無(wú)法在常規(guī)鋼質(zhì)零件表面進(jìn)行涂層。

　　利用PVD方法，制備的AlTiN和AlCrN是繼TiN之后開(kāi)發(fā)的性能優(yōu)良的防護(hù)涂層，在刀具涂層行業(yè)被廣泛使用，在高溫下Al原子向涂層表面擴(kuò)散，并與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(dǎo)和元素的擴(kuò)散，形成對(duì)下面硬質(zhì)涂層的保護(hù)，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(gè)系列涂層也有一定的使用限制，特別是針對(duì)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(fā)報(bào)道很多，但是能夠成熟應(yīng)用到工業(yè)批量生產(chǎn)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(dāng)難于控制，主要原因有：①O2更易于在陰極靶面上發(fā)生反應(yīng)，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(chǎn)生蒸發(fā)源材料靶面的“中毒”現(xiàn)象。②絕緣體正電荷的積聚所產(chǎn)生的電場(chǎng)阻礙了沉積的進(jìn)行。③離子能量低，不足以實(shí)現(xiàn)金屬氮化物到絕緣氧化物涂層的過(guò)渡，并獲得良好的結(jié)合力。④在相對(duì)低的溫度條件下，無(wú)法調(diào)控α-Al2O3的生長(zhǎng)的問(wèn)題。

　　丹普公司利用4G-CAE®陰極電弧技術(shù)可以在低溫下（500℃以下）穩(wěn)定的制備出氧化鋁涂層。在4G-CAE®脈沖復(fù)合磁場(chǎng)軸向推進(jìn)技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，Al離子被推進(jìn)至工件表面與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，這樣就有效避免了氧氣在靶材靶面上發(fā)生反應(yīng)，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(jìn)技術(shù)大大提高了Al離子的離化率和能量，保證了最佳的結(jié)合強(qiáng)度和有效控制氧化鋁的生長(zhǎng)，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(shù)消除絕緣體正電荷積聚產(chǎn)生的電場(chǎng)，使得整個(gè)制備過(guò)程更加穩(wěn)定。

　　利用4G-CAE®技術(shù)制備的氧化鋁涂層特點(diǎn)如下：

　　1.    沉積工藝穩(wěn)定，可實(shí)現(xiàn)大批量工業(yè)生產(chǎn)；
　　2.    沉積速率可以達(dá)到1~2微米/小時(shí)；
　　3.    沉積厚度最高可達(dá)5微米；
　　4.    涂層硬度達(dá)到2500HK；
　　5.    阻值可達(dá)10兆歐；
　　6.    可以搭配各種氮化物硬質(zhì)涂層使用，能夠應(yīng)用于各種材料表面、以及各種應(yīng)用工況環(huán)境下；
　　7.    可以實(shí)現(xiàn)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(shù)制備的氧化鋁涂層的應(yīng)用：
　　TiAl/AlCrSiMeN/AlOx是專門為硬質(zhì)合金刀片開(kāi)發(fā)的納米復(fù)合涂層，在精車、半精車和半粗車的切斷刀、車刀片上應(yīng)用效果展現(xiàn)非常優(yōu)異，在加工不銹鋼材料時(shí)，通過(guò)批量對(duì)比，比在用的某國(guó)外品牌涂層刀片壽命提高2倍。

　　

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