氧化铝刀具涂层

就是氧化铝（刚玉－α-Alቤተ መጻሕፍቲ ባይዱO3）材料。
• 纯Al2O3在低温下存在十多种晶型，但主要的有三种：即α- Al2O3、 β- Al2O3、γ- Al2O3，所有的晶型在温度超过1600℃以上，都会转变 成高温稳定的α- Al2O3（刚玉），这个转变是不可逆的。一般Al2O3 硬度是很低的，只有刚玉型α- Al2O3的硬度（莫氏硬度为9）才是很 高的，刚玉才能作切削工具和耐磨件。
• 系统配置有几个电弧和磁控溅 射阴极。零件在沉积前要加热 到工艺温度并且系统要抽至低 真空度;其后，用氩离子或金属 离子刻蚀清洁工件表面;接着沉 积电弧层，氧化铝顶层是利用 金属靶在氩和氧混合气氛中的 PVD溅射沉积所成。此外，在 特殊应用中，氧化铝涂层也可 以在没有底层的情况下单层使 用。
• 氧化铝涂层采用Hauzer T模式沉积技术制备而成。T模式技术是由特 殊设计的溅射阴极结合优化的气体分布系统来体现其特性的，通过电 磁感应线圈在基体周围产生闭合磁场来提供高离化率的等离子体，以 达到涂层性能的要求。该技术的优点是处理过程易于控制，稳定性好， 重复性佳，沉积速率(≥0.5μm/h)足以达到工业化生产中较节省的处理 时间
料的普遍性。
• k-Al2O3是亚稳定的，而且可能在沉积过程以及切削过程(尤其在切削 速度高时)中转变成稳定的a-Al2O3相。相的转变碰到的体积收缩将降 低并最终破坏k-Al2O3层的粘结力。因此，就沉积和耐磨性(尤其在切 削速度高时)而言，a-Al2O3相应该是最佳和最安全的选择。细颗粒和 无缺陷的a-Al2O3可显着提高耐磨性。
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• a-Al2O3是唯一稳定的Al2O3相，随着沉积过程中的热处理、沉积后 的热处理以及金属切削过程中产生的热，亚稳定的k相和g相将转变成 稳定相。
• 稳定的a-Al2O3 比亚稳定的k-Al2O3更难进行工业规模的CVD沉积。 其理由之一是：k-Al2O3的晶核形成在具有fcc结构的TiC、Ti(C,N)或 TiN层未氧化的表面上顺利地发生。当成核的k-Al2O3相对稳定时，能 够生长到相当大的厚度(>10μm)。因此，如果成核表面是TiC、Ti(C,N) 或TiN(考虑硬质合金时的典型情形)，使用CVD进行成核和生长aAl2O3是不简单的。这在某种程度上解释了k-Al2O3作为一种涂层材
• α-Al2O3属六方晶系，刚玉（单位晶胞是尖的菱面体）结构， a=4.76Å，c=12.99Å。密度3.96~4.01g/cm3，硬度（HV）3000kg／ mm2，杨氏模量42kg／mm2，热导率0.07卡／（厘米·秒·℃），热膨 胀系数8.5×10ˉ6℃。
• 氧化铝的化学稳定性是很强的，与很多材料的反应都很弱。
3.氧化铝涂层的结构和性能
• 涂层的显微结构采用扫描电镜进行分析
• 一、氧化铝的性能
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现代新陶瓷材料包含氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物，
以及它们之间的复合化合物。从用途分有工程结构陶瓷、功能陶瓷、
刀具陶瓷等。刀具陶瓷是用来车削或铣削加工金属及合金的工具。除
碳化物以外作刀具陶瓷的即是氧化物、氮化物。在氧化物中最适合的
• 由于氧化铝薄膜具有令人关注的优异性能，如高温稳定性、化学稳定 性、低的热导率和电导率等，目前利用化学气相沉积(CVD)涂覆氧化 铝薄膜作为耐磨涂层材料已广泛应用于硬质合金切削刀片。它在其它 领域没有得到广泛应用的主要原因是这类涂层的工业规模制备需利用 高温CVD进行处理。虽然CVD处理方法有许多优点，但其最大的缺点 是在处理过程中需要高温(1000℃)，这限制了CVD工艺在硬质合金刀 具上的应用，高温将导致硬质合金刀具韧性的降低而变脆。
• 利用物理气相沉积(PVD)溅射技术在350～600℃的温度范围内沉积氧 化铝，是由 (Hauzer)技术镀层公司开发的一种新工艺。该工艺大大拓
宽了氧化铝的应用领域，低的沉积温度使它能在其它材料如高速钢和 模具钢上能进行涂镀处理。
2.氧化铝涂层的技术
• CVD目前仍然是唯一能经济地生产高质量Al2O3涂层的技术。目前有 三种Al2O3相（a-Al2O3，k-Al2O3和g-Al2O3）能以受控方式进行 CVD沉积。
目录
1.氧化铝涂层介绍 2.氧化铝涂层的技术 3.氧化铝涂层的结构和性能 4.氧化铝刀具切削现状
1.氧化铝涂层介绍
• 氧化铝涂层广泛应用于硬质合金的刀片，其优点是能降低凹坑磨损和 热破裂。氧化铝涂层通常采用CVD方法沉积。由于沉积温度高、碳化 物易脆化，致使在金属切削(主要是铣削加工)方面的应用受到限制。 在实际应用中，由于新的氧化铝PVD工艺沉积温度低，可以实现刀片 的切削刃所需要的高韧性，特别是在铣削不锈钢或难加工材料时，新 的氧化铝涂层与传统的PVD涂层相比，其性能提高了2倍。
⑶、冷压烧结（CP）——料必须加入烧结助剂，室温下模压成坯，压坯 在真空下或常压气氛下进行烧结，温度一般须在1800℃以上。制品孔隙较高、 晶粒粗、以及烧结助剂的不利影响，使刀具的性能降低。
• ⑷、放电等离子烧结（SPS）——是利用脉冲加热使粉末体内部自身 发热而进行的，使粉末脉冲放电活化烧结。放电等离子烧结，是基于 热压的最先进工艺，最新报导可以生产纳米级（0.3μm以下）的氧化 铝陶瓷刀具。
4.氧化铝刀具切削现状
• 氧化铝刀具的烧结新工艺有： ⑴、热压烧结（HP）——加或不加烧结助剂，热压温度较低，温度一般
在1650℃～1700℃之间，压力约20MPa。料装入石墨模具中，同时加压和加 热进行烧结成型，制品性能高。
⑵、热等静压（HIP）——冷压成形后外加包皮或冷压烧结到制品无连通 孔后在高温和高压氩（氮）气中进行烧结，温度一般在1650℃～1700℃之间， 压力约200MPa。但成本较高。
• PVD氧化铝涂层以较高的沉积速率(短工作周期)沉积尽可能小的γ-相 氧化铝。系统保证能够在高温下运行并且技术本身成本不高。单阴极 系统有利于使现存设备升级到可镀氧化铝的涂层设备
• 涂层系统采用复合涂层技术， 结合阴极电弧镀和磁控溅射， 电弧层作为过渡层或为整个涂 层系统提供必需的耐磨性，而 氧化铝则提供高温和化学稳定 性。