摘要：物理氣相沉積技術(shù)(PVD)常被用在切削刀具上，以延長(zhǎng)刀具的使用壽命及提高其硬度。當(dāng)然，不同的應(yīng)用情況都有其特定的涂層，能夠達(dá)到最好的應(yīng)用效果。一般情況下，AlTiN（氮鈦化鋁）是常見(jiàn)的刀具涂層。對(duì)于一些特殊的加工材料，Al₂O₃涂層能夠取得更好的效果。

    1 引言

    在加工過(guò)程中，切削刀具將承受幾方面的損傷，如切削熱，高壓，磨損和熱振蕩。刃口的溫度將超過(guò)1000ºC。這種極端的熱量將破壞刀具材料各成分的結(jié)合力及其它成分，還有可能導(dǎo)致刀具和被加工材料間發(fā)生有害的化學(xué)反應(yīng)。磨損是切削過(guò)程中始終發(fā)生的過(guò)程：刀具和被加工材料間的接觸面將承受大于140bar（2000Psi）的壓力。熱振蕩：刀具的快速加熱和冷卻是加工過(guò)程中非常普遍的情況；在切削過(guò)程中，刀片被加熱，當(dāng)?shù)镀x開(kāi)切削面時(shí)，刀片被冷卻。機(jī)械振蕩在加工斷續(xù)表面時(shí)經(jīng)常發(fā)生。根據(jù)具體操作和被加工工件的情況，機(jī)械振蕩有時(shí)扮演著車(chē)削加工的角色。粘連磨損經(jīng)常發(fā)生在被加工材料粘連在刀具表面的情況下（形成積屑瘤）。

    2 AlTiN涂層

    為了解決上述這些在切削過(guò)程中不利因素的影響，許多切削刀具都通過(guò)在PVD設(shè)備內(nèi)的電弧沉積技術(shù)沉積了一層AlTiN涂層。AlTiN類(lèi)的涂層主要應(yīng)用在干式高速切削加工中，并具有很好很多的優(yōu)點(diǎn)，如高硬度（Hv＞30GPa），很好的耐磨損性能，很好的耐高溫氧化性（850ºC），以及低的熱傳導(dǎo)性。

    3 氧化鋁Al2O3涂層

    在一些應(yīng)用上需要特殊的涂層，如氧化鋁涂層。比如硬質(zhì)合金刀片上的氧化鋁涂層具有抗月牙洼和抗熱裂化的優(yōu)點(diǎn)。氧化鋁涂層的刀片通常是CVD（化學(xué)氣相沉積）方法沉積的，但是有一些缺點(diǎn)：因?yàn)槭窃诟邷叵碌某练e（1000ºC），硬質(zhì)合金變脆將影響刀片在金屬切削方面的應(yīng)用，尤其是在銑削方面。氧化鋁的PVD涂層因?yàn)槠漭^低的沉積溫度范圍（一般在350ºC到600ºC之間）帶來(lái)了很多優(yōu)點(diǎn)。特別是高溫穩(wěn)定性，化學(xué)穩(wěn)定性和低導(dǎo)熱導(dǎo)電性能是其優(yōu)于其它涂層的特點(diǎn)。在不銹鋼的銑削或者是難切削材料的切削方面，PVD的氧化鋁涂層與傳統(tǒng)PVD涂層相比顯示了更好的性能。
    通過(guò)分析AlTiN涂層和氧化鋁涂層的界面顯微結(jié)構(gòu)，氧化鋁涂層與面心立方晶格AlTiN非常好地結(jié)合。結(jié)構(gòu)分析顯示氧化鋁涂層是以γ相存在的非晶鉻結(jié)構(gòu)。晶粒尺寸大概是在5～10nm。最初的切削試驗(yàn)是使用標(biāo)準(zhǔn)SP12刀片，用來(lái)干式銑削加工CrMo4鋼。

    4 混合涂層設(shè)備

    使用混合涂層技術(shù)的PVD涂層設(shè)備：陰極電弧蒸發(fā)技術(shù)和磁控濺射技術(shù)在一個(gè)工藝過(guò)程中混合使用。混合技術(shù)結(jié)合了PVD硬膜的優(yōu)點(diǎn)，出色的耐磨損性能，低摩擦系數(shù)和低化學(xué)活動(dòng)性。電弧涂層作為結(jié)合層，給整個(gè)涂層提供必要的抗磨損能力；氧化鋁涂層具有溫度和化學(xué)穩(wěn)定性。
    沉積前，被加工工件被加熱到工藝溫度，系統(tǒng)被抽至基壓。隨后工件被氬離子或金屬離子蝕刻。然后開(kāi)始沉積電弧層，在其頂部氧化鋁涂層通過(guò)濺射方法，在金屬靶材和氬－氧混合氣體條件下獲得。此外，氧化鋁涂層也可以作為單獨(dú)的涂層在一些特殊情況下應(yīng)用。氧化鋁涂層通過(guò)一種獨(dú)特設(shè)計(jì)的濺射陰極結(jié)合工藝氣體的優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)沉積而成。通過(guò)電磁感應(yīng)線(xiàn)圈形成的閉路磁場(chǎng)在工件附近形成了高離化率的等離子體，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)要求的涂層性能。此項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是工藝過(guò)程易于控制，沉積過(guò)程的穩(wěn)定一致。沉積速率(≥0.5μm/h)完全能夠滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)的需求。

    5 結(jié)論

    通過(guò)電弧技術(shù)沉積的工具涂層，如AlTiN涂層能夠進(jìn)一步提高刀具的應(yīng)用性能。刀具涂層技術(shù)的下一步發(fā)展應(yīng)該是基于電弧技術(shù)和濺射技術(shù)的混合技術(shù)。正是將這兩種技術(shù)結(jié)合在一起，形成了對(duì)刀具應(yīng)用性能新突破的基礎(chǔ)。