新型PVD刀具塗層AlCrN的應用

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新型PVD刀具塗層AlCrN的應用簡介
     TiAlN和AlTiN是將Al元素沉積到TiN中而形成的PVD刀具塗層。迄今為止,通過增加TiAlN、AlTiN塗層中的鋁含量,從而增強刀具……
新型PVD刀具塗層AlCrN的應用正文
     TiAlN和AlTiN是將Al元素沉積到TiN中而形成的PVD刀具塗層。迄今為止,通過增加TiAlN、AlTiN塗層中的鋁含量,從而增強刀具塗層的耐高溫性能和硬度,一直是刀具製造商和塗層公司關注的重大技術課題。自1995年以來,人們一直在持續不斷地研究和改進相關的氣相沉積工藝。到2000年,TiAlN和AlTiN塗層中鋁元素與鈦元素的成分比例已從原來的1∶2提高到3∶2,即鋁含量已從33%增加到60%。 
    為了進一步提高塗層中的鋁含量,總部位於列支敦斯登的巴爾查斯(Balzers)塗層公司經過大量研究開發,發明了用鉻元素取代鈦元素的塗層技術,並於2004年推出了商品名為「Balinit Alcorna」的單層AlCrN塗層。AlCrN塗層的鋁含量比一般的AlTiN塗層更高,適用於包括齒輪滾刀、立銑刀、銑刀片在內的多種高速鋼和硬質合金刀具。此外,它也可以用於車削刀具,但僅限於耐熱性和擴散穩定性極好的基體材料,如PCBN和Si3N4陶瓷。在EMO Hannover 2005展覽會上,巴爾查斯公司又推出了商品名為「Balinit Helica」,專為孔加工刀具設計的多層AlCrN塗層。這種超光滑塗層可應用於任何硬質合金或高速鋼鑽頭上,從而顯著增強了鑽頭的耐磨性和剪切強度,並有利於提高鑽頭的排屑性能。 
    在掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察硬質合金基體上Balinit Alcorna塗層的剖面微觀結構時,可以清楚地看到厚度為3~4μm,呈連續結構的單層塗層;而在Balinit Helica塗層的SEM圖像中,多層塗層結構清晰可辨。Helica多層塗層的總厚度約為4μm,但對於直徑小於1/8″的小鑽頭,塗層厚度以1~2μm更為適宜。 
    雖然100%的Al2O3(純氧化鋁)PVD塗層可為切削刀具提供最佳的熱防護作用(在切削加工時,AlTiN和AlCrN塗層中的AlN成分將「轉化」為Al2O3),但是這種塗層的應用範圍十分有限。雖然PVD Al2O3塗層技術已經獲得了專利,且已能在使用交流電源(或脈衝直流電源)的實驗室規模小型反應爐上對刀具進行Al2O3 PVD塗層,但目前在商業化規模的大型反應爐上實現Al2O3 PVD塗層仍然存在不少問題。這是因為Al2O3與其它可導電塗層材料不同,它是一種絕緣體。因此,採用等離子沉積原理的PVD塗層工藝在塗層沉積過程中需要外加偏置電壓,即在被塗刀具與等離子靶源之間必須存在一定的電勢差。總之,氧化鋁的絕緣特性使PVD工藝相當難於控制,此外,PVD Al2O3塗層的經濟性也較差。[註:德國瓦爾特公司(Walter AG)已在EMO 2005展覽會上推出了名為Tiger?tec的PVD Al2O3塗層。
    由於受到塗層結構穩定性的限制,AlTiN塗層中的鋁含量實際已達到最大值(約65%)。在TiN基塗層中,鋁含量過高會引起塗層晶體結構由立方晶格轉化為六方晶格;而在CrN基塗層中,鋁含量可以進一步提高而不會引起AlCrN塗層的晶體結構發生改變。
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