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涂层技术的创新——用PVD工艺涂覆氧化铝涂层

2020-03-27 00:001790
自2005年在EMO展览会上宣布在采用PVD工艺涂覆Al2O3涂层方面取得突破以来，荷兰Hauzer公司已经和世界主要工具制造商在该涂层的性能测试方面进行了一系列合作。测试结果证实了早先发表在Hauzer For You 10杂志上的涂层成果：用PVD工艺涂覆的Al2O3涂层具有卓越的粘结性、稳定的化学性能、在温度高达1100℃时优异的抗氧化能力、良好的抗月牙洼磨损能力和很高的韧性。

硬质合金刀片上4.2µm厚的AlTiN涂层和1.8µm厚的Al2O3涂层
图1 混合涂层系统示意

工艺过程说明

这种新的涂层系统采用了混合涂层技术来实现涂层的沉积。该技术将阴极电弧蒸发与电子管磁控溅射结合在同一工艺过程中。电弧蒸发沉积的TiAlN涂层在涂层系统中起到粘结层的作用，并(或)为涂层系统提供所需的抗磨损能力；Al2O3涂层则为系统提供高温稳定性和化学稳定性。
在一个典型的混合涂层系统(图1)中，安装了几个电弧和磁控电子管溅射阴极。在进行沉积之前，将工件加热到工作温度，系统压力降至基压。工件经过氩气等离子清洗或金属离子浸蚀处理后，进行等离子电弧沉积涂层，并在该涂层之上用PVD法通过置于氩－氧混合气体中的金属靶溅射沉积Al2O3涂层。此外，Al2O3涂层也可以无需基层而作为单独涂层应用于一些特殊加工场合。Al2O3涂层是采用Hauzer公司的T模式沉积技术进行沉积的。T模式技术的特色在于独特的溅射阴极设计与最优化的气体分配系统相结合。环绕在基体周围、由电磁线圈产生的封闭磁场提供了等离子体的高电离化——这是获得要求的涂层性能所必需的。这项新技术的优势在于工艺易于控制，沉积过程具有很高的稳定性和再现性。此外，其沉积速度(≥0.5微米/小时)完全可以满足工业化经济生产的工艺周期要求。

涂层的应用

Al2O3涂层广泛应用于硬质合金刀片，它的优势)如优异的抗月牙洼磨损和抗热裂性能)已广为人知。通常采用CVD工艺在硬质合金刀片上沉积Al2O3涂层。由于CVD工艺较高的沉积温度会使硬质合金中的碳化物变脆，导致刀片在金属切削加工(主要是铣削加工)中的应用受到限制。在对切削刃的韧性要求较高的加工应用中，这种新的PVD Al2O3涂层工艺能以其较低的沉积温度为用户提供新的加工可能性。尤其在铣削不锈钢或难加工材料时，与传统的PVD涂层相比，新的Al2O3涂层系统的性能可提高2倍。

图2
图3

加工现场测试结果

最早的切削试验结果发表在Hauzer For You 10杂志上，当时Performa AlOx-H在EMO 2005展览会上首次亮相。接着与其他主要工具制造商一起合作完成了更多的测试工作。下面介绍用Al2O3涂层刀具加工X5CrNi1810和42CrMo4V工件材料的试验结果及涂层照片。
试验1：工件材料：X5CrNi1810；刀具：硬质合金涂层刀片；切削参数：Vc=251.32m/min，f=0.15mm，ap=2.5 mm，ae=24mm；切削长度：600mm。
由PVD涂层刀片Performa Alox-H与传统涂层刀片的寿命对比可见，PVD涂层刀片Performa Alox-H的寿命提高了2倍(图2)。
试验2：工件材料：42CrMo4V(DIN 1.7225)；刀具：硬质合金涂层刀片；切削参数：Vc=200m/min，f=0.25mm，ap=2.5mm，ae=20mm。
由PVD涂层刀片Performa Alox-H与传统涂层刀片铣削42CrMo4V工件时刀片后刀面平均磨损量的对比情况可知，当铣削长度为4000mm时，PVD涂层刀片Performa Alox-H的后刀面磨损比传统涂层刀片显著降低(图3)。
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