采用电弧和磁控溅射混合工艺的氧化铝涂层技术及应用

zj2635

　　氧化铝概述

6 c- v5 G& [! h4 u3 c　　氧化铝薄膜具有很多优异的材料特性，特别是高温稳定性、化学稳定性和低导热性。现在氧化铝薄膜被广泛应用在硬质合金刀片上作为耐磨涂层材料。尽管具有这些优异的特性，但是氧化铝薄膜并没有被广泛应用到其它领域，主要原因是当今的行业标准仍然是建立在热化学气相沉积（CVD）工艺基础上的。

　　虽然CVD工艺具有很多优点，但也有明显的缺点，即工艺过程所要求的高温（1000℃）。豪泽公司开发出了一种新工艺，能够在350℃～600℃的标准温度下通过物理气相沉积溅射方法（PVDsputtering）沉积氧化铝，这样就大大拓展了其应用范围。

　　自从2005年豪泽公司在欧洲机床展览会EMO上宣布Al2O3的PVD涂层方面取得重大突破以来，豪泽公司就已经开始与世界主要刀具制造商和氧化铝模铸模具用户合作进行试验项目。下面将对涂层特性进行讨论，并介绍这种通过电弧和磁控溅射技术相结合的混合工艺进行沉积所取得的新涂层的成果。

　　刀具磨损情况
# Z% z; i; Y+ U2 k
! B1 s/ f0 e0 U' o+ w$ @　　在加工过程中，刀具将出现几种磨损情况。刀具本身必须要能耐受高温、高压、磨损和热冲击。在切削过程中，刃口温度将超过1000℃。在此高温下，刀具的粘合剂及其它构成部分会出现退化，并导致刀具和工件之间出现有害的化学反应。切削过程总是伴有摩损的发生，刀具和工件切入接触时的压力大于140bar（2000PSI）。

　　热冲击——刀具急冷急热，这是铣削加工中普遍发生的。刀片在切削过程中加热，在离开切削面时冷却。在铣削和切削断续的加工表面时会有机械冲击。车削中有时会有机械冲击，具体根据操作情况和工件条件的不同而有所不同。在工件与刀具发生粘结时（产生积屑瘤）会出现粘结磨损。
% P) E2 U# D3 t) V) f
# t$ a; a! `4 {& \5 t　　CVD和PVD的氧化铝涂层
) {) J8 R0 w' J; v
8 _5 }8 p1 U1 Y! c  ~% [! Z　　如今CVD氧化铝涂层刀片在工业上得到广泛应用，CVD氧化铝涂层的性能也得到广泛认知。由于氧化铝的高硬度（尤其是在高温下）、高氧化温度（>1000℃）、化学惰性和低导热率，氧化铝涂层刀具的性能得到很大提高。然而，CVD工艺过程通常需要在800℃～1000℃的高温下进行，这就限制了CVD工艺在硬质合金底基上的应用。由于硬质合金刀具变脆将导致韧性的降低。而PVD工艺过程因其400℃～600℃的低沉积温度，较之于CVD工艺有明显的优点。
" |9 J4 P. y, {8 \
　　以PVD工艺制作氧化铝涂层的主要限制因素在于沉积过程中绝缘层沉积在涂层系统内部的所有表面，包括底基和底基座、靶材侵蚀面外的靶材部分和真空腔内壁。这将导致由于靶材“中毒”和阳极消失而引起的偏压电源和阴极（电弧）电源的不稳定情况。解决此问题比较成功的两个技术是：RF（射频）溅射和BP－DMS（两极脉冲双磁控溅射）。

( D2 {$ X6 b" o$ o5 b1 k; k　　氧化铝涂层设备

　　PVD氧化铝系统应能以较高的沉积速率（短工作周期）沉积最低限度的γ－相氧化铝，并且具有稳定的涂层特性。系统应能够在高温下运行并且技术本身成本不高。最好用单阴极系统，这样可将现存设备升级为可镀氧化铝的涂层设备。豪泽公司的T－模式控制系统可使靶材表面在氧化沉积过程中处于过渡状态，这要求专门的阴极的设计和闭合磁场内的非平衡磁控。为得到最佳的反应气体引入，采用了特殊的控制系统。在约两年的时间内在几个生产设备上得到验证了此系统。
$ O! H; x# n  c
　　涂层的优化

　　最初的工作集中在建立正确的化学计量氧化铝涂层作用点。对影响工艺过程的一些参数进行了研究，如偏压、UBM线圈电流、温度、气体分压（氩气/氧气）及阴极电源等。
/ R% A) J7 s+ |. m7 F* F  v, I
: G# U# M! U4 e2 ?9 F1 ]. R; C1 D　　离子轰击影响涂层的硬度，这需要从偏压上处理，偏压应足够高，但是要低于阈限，以避免氩离子注入。鉴于涂层是绝缘体，使用脉冲偏压，同时脉冲偏压也可以限制电弧对底基的影响。必须根据涂层的厚度和硬度，对偏压进行优化。

. D6 [; [; y: \0 }! @8 @2 s# D　　面层是由溅射镀膜获得的，因此相对比较平整。而底层涂层是由电弧镀膜获得的，其粗糙度可以从面层涂层检测到。溅射镀膜的氧化铝涂层比电弧蒸发获得的氧化铝涂层平整，因为铝较低的熔点容易产生很多液滴，即使采用脉冲模式的电弧蒸发也是如此。高硬度氧化铝需要高的离子密度才能得到，可使用双磁控溅射（即在一台设备内使用两个阴极）或者使用闭合磁场布局。在后一种情况中，等离子体条件下的高离子密度伴有支持非平衡磁控的磁场。离子密度可以通过磁场线圈的电流来调整。为了形成闭合磁场，每个相邻的UBM线圈产生方向相反的磁场。对应阴极也作相应设计。测量偏压电流的改变可以测量到电离密度的增强程度。通过此方法，增加了涂层密度，也提高了其硬度。提高线圈电流可以增加偏压电流，直到磁场强度达到饱和。达到饱和点后，提高线圈电流不再增加偏压电流。饱和后的情况会在涂层的硬度上体现出来。

8 f+ a& n/ X+ R9 a0 x- \　　性能测试
　　对涂层做SEM（扫描电子显微镜）和HRTEM（高分辨透射电镜）检测。断面图清晰地表示出刀片上AlTiN和Al2O3的结构和HRTEM分析的TiAlN－Al界面。从中可以看出Al层和fcc晶体结构TiAlN结合良好。另外，通过GIXRD（低负X射线衍射法）和SAED（选区电子衍射像法）结构分析表明其为γ－相非晶体氧化铝涂层。晶格尺寸5～10nm。

$ g$ V) Q  s; S. ]8 v5 _　　工业应用前景——铝模铸

9 |& J5 A& i4 P) C# ?/ I　　制作铝模铸用模具的传统方法是真空渗氮，然后金属电镀。使用PVD方法制造的铝制泵体用模具能够承受9000次铸模，直到模具表面磨损到不能使用的程度。磨损机理是模具楞面由于高注射压力而出现的磨损。此外，与铝的粘结磨损占磨损的很大比重。因为铸模温度很高（>600℃），也存在热磨损。在修磨和重新电镀后，工作寿命下降到4500次。AlTiN＋Al2O3涂层能够很好地防止热冲击造成的破裂。此涂层的另一个优点是其惰性，可以防止铝粘结到模具表面。模具的平均故障时间延长了一倍。

2 [3 [; z+ `. |  c5 J& M& o　　结语
( E' |8 Q2 \% w7 n# ^5 Z; ^
　　1．T－模式技术实现了在温度>450℃，以高沉积速率沉积γ－相氧化铝。

; v: k, w+ k3 U( E+ _+ k3 j　　2．涂层调整到理想的性能。离化率是得到高硬度晶状体涂层的决定因素。

, s2 Y0 B6 D/ n* J3 x　　3．现场刀片试验表明此涂层在切削加工方面有很好的性能。
# d9 o2 A: a9 u
　　4．对不锈钢、Ti合金和Ni合金的切削性能有明显提高。
' Q" e; h. [3 l8 Q8 S# ]. _" P( |
8 Q- m: {, ^8 r( o- H" d　　5．现场试验表明此涂层对铝铸模性能有明显的提高。
! d/ P2 `$ A' z# O& @" J
　　6．粘结（积屑瘤形成）减少，抗磨损能力提高。