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              采用電弧和磁控濺射混合工藝的氧化鋁涂層技術及應

              時間:2021-11-30 09:37:32 點擊:229次

              氧化鋁薄膜具有很多優異的材料特性,特別是高溫穩定性、化學穩定性和低導熱性?,F在氧化鋁薄膜被廣泛應用在硬質合金刀片上作為耐磨涂層材料。盡管具有這些優異的特性,但是氧化鋁薄膜并沒有被廣泛應用到其它領域,主要原因是當今的行業標準仍然是建立在熱化學氣相沉積(CVD)工藝基礎上的。

                雖然CVD工藝具有很多優點,但也有明顯的缺點,即工藝過程所要求的高溫(1000℃)。豪澤公司開發出了一種新工藝,能夠在350℃~600℃的標準溫度下通過物理氣相沉積濺射方法(PVDsputtering)沉積氧化鋁,這樣就大大拓展了其應用范圍。

                自從2005年豪澤公司在歐洲機床展覽會EMO上宣布Al2O3的PVD涂層方面取得重大突破以來,豪澤公司就已經開始與世界主要刀具制造商和氧化鋁模鑄模具用戶合作進行試驗項目。下面將對涂層特性進行討論,并介紹這種通過電弧和磁控濺射技術相結合的混合工藝進行沉積所取得的新涂層的成果。

                刀具磨損情況

                在加工過程中,刀具將出現幾種磨損情況。刀具本身必須要能耐受高溫、高壓、磨損和熱沖擊。在切削過程中,刃口溫度將超過1000℃。在此高溫下,刀具的粘合劑及其它構成部分會出現退化,并導致刀具和工件之間出現有害的化學反應。切削過程總是伴有摩損的發生,刀具和工件切入接觸時的壓力大于140bar(2000PSI)。

                熱沖擊——刀具急冷急熱,這是銑削加工中普遍發生的。刀片在切削過程中加熱,在離開切削面時冷卻。在銑削和切削斷續的加工表面時會有機械沖擊。車削中有時會有機械沖擊,具體根據操作情況和工件條件的不同而有所不同。在工件與刀具發生粘結時(產生積屑瘤)會出現粘結磨損。

                CVD和PVD的氧化鋁涂層

                如今CVD氧化鋁涂層刀片在工業上得到廣泛應用,CVD氧化鋁涂層的性能也得到廣泛認知。由于氧化鋁的高硬度(尤其是在高溫下)、高氧化溫度(>1000℃)、化學惰性和低導熱率,氧化鋁涂層刀具的性能得到很大提高。然而,CVD工藝過程通常需要在800℃~1000℃的高溫下進行,這就限制了CVD工藝在硬質合金底基上的應用。由于硬質合金刀具變脆將導致韌性的降低。而PVD工藝過程因其400℃~600℃的低沉積溫度,較之于CVD工藝有明顯的優點。

                以PVD工藝制作氧化鋁涂層的主要限制因素在于沉積過程中絕緣層沉積在涂層系統內部的所有表面,包括底基和底基座、靶材侵蝕面外的靶材部分和真空腔內壁。這將導致由于靶材“中毒”和陽極消失而引起的偏壓電源和陰極(電弧)電源的不穩定情況。解決此問題比較成功的兩個技術是:RF(射頻)濺射和BP-DMS(兩極脈沖雙磁控濺射)。

                氧化鋁涂層設備

                PVD氧化鋁系統應能以較高的沉積速率(短工作周期)沉積最低限度的γ-相氧化鋁,并且具有穩定的涂層特性。系統應能夠在高溫下運行并且技術本身成本不高。最好用單陰極系統,這樣可將現存設備升級為可鍍氧化鋁的涂層設備。豪澤公司的T-模式控制系統可使靶材表面在氧化沉積過程中處于過渡狀態,這要求專門的陰極的設計和閉合磁場內的非平衡磁控。為得到最佳的反應氣體引入,采用了特殊的控制系統。在約兩年的時間內在幾個生產設備上得到驗證了此系統。


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