關(guān)于提高AlTiN涂層中鋁的含量及其效果的爭議一直持續(xù)不斷。但有一點可以肯定：那就是提高AlTiN涂層的鋁含量后，有利于改善刀具的性能。當然，用戶應(yīng)區(qū)分真實效果和夸大宣傳的差別，并且應(yīng)該懂得，最佳的涂層隨使用條件而異，就象刀具的幾何角度和基體一樣。 工業(yè)界的專家認為，AlTiN涂層適用于在高速和干式切削(或近似干式切削)的條件下，加工不銹鋼、鈦、高溫超級合金的淬硬材料。  圖1 Balzers公司的AlTiN納米結(jié)構(gòu)涂層--Balinit Futura Nano,在高速、大進給干式切削中，用于鉆頭、銑刀和鉸刀，優(yōu)點十分顯著  Ion Bond公司(一家物理和化學氣相沉積設(shè)備的供應(yīng)商)的高級開發(fā)工程師Haron Gekonde說：“AlTiN涂層在刀具/工件接觸區(qū)溫度高達800℃至900℃時，仍能保持其硬度。”這是AlTiN涂層的主要優(yōu)點。因為前面提到的被加工材料都會在切屑剪切區(qū)產(chǎn)生大量的熱。當然，在AlTiN涂層中的鋁含量多少最合適，還是有爭議。 不斷克服前進中的障礙 盡管刀具涂層的開發(fā)取得了巨大的成功，但是廣大的刀具涂層技術(shù)人員沒有以此為滿足。難加工合金不斷進入工業(yè)領(lǐng)域，刀具涂層市場的競爭仍然十分激烈。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham說：“大家都在跳躍式的前進，彼此你追我趕超過對手。最佳的涂層在市場上只能維持4～6個月的領(lǐng)先地位，很快就會有更好的涂層問世。” 改進AlTiN涂層的方法之一就是提高鋁含量。(美國)表面工程涂層協(xié)會前主席、現(xiàn)任Teefer市場服務(wù)公司總裁Fred Teefer說：“提高鋁含量可使涂層在高溫下保持較高的強度，并且能提高抗氧化能力。”  圖2當?shù)毒?工件接觸區(qū)的溫度超過749℃時，鋁原子會穿過涂層晶格到達刀具表面。在該處鋁和氧發(fā)生反應(yīng)，形成一套氧化鋁薄膜。這層氧化皮保護了涂層，防止其進一步氧化。 最流行的說法是，當?shù)毒?工件接觸區(qū)溫度超過約749℃時，鋁會“抓取”空氣中的氧，使涂層的外表面轉(zhuǎn)化成氧化鋁，形成一層氧化皮。Carboloy公司的車削工具部主任Don Graham解釋說：“每個人都相信這種說法是正確的，但迄今未得到客觀證實。”這種氧化鋁薄膜層能阻止進一步地氧化，并能在刀具/工件接觸區(qū)產(chǎn)生高溫時起保護刀具的作用。 然而，提高鋁含量說起來容易，做起來卻很難。在PVD中，常用直流法將AlTiN涂覆到刀具上，但這種方法在涂層中的鋁含量超過65%時，會產(chǎn)生電絕緣障礙而無法有效地進行。  Isoflux涂層設(shè)備制造公司總裁Dave Glocker解釋說：“在涂層出現(xiàn)電絕緣時，單純的100伏左右的直流偏壓將不起作用，因為直流電壓無法從絕緣材料上導出。所以必須改變工藝方法，以便能在絕緣體上加上偏壓，也就是要在基體上加上交流或脈沖直流偏壓，或者使用射頻工藝。”與此同時他還指出，生產(chǎn)鋁含量超過65%的AlTiN涂層時，還有一個額外的問題。例如在一個含鋁70%的鋁氮靶上濺射時，靶的表面也會形成電絕緣。所以，你可能既要對付一個絕緣的涂層，又要對付靶上的絕緣層。為了克服這些問題，涂層設(shè)備應(yīng)具備沉積電絕緣材料的能力。Glocker說：“做到這一點是可能的，我們能做，其它公司也能做。但涂層設(shè)備不是目前在工業(yè)中使用的傳統(tǒng)型設(shè)備。” 關(guān)于冷卻液的一些考慮 生產(chǎn)高鋁含量AlTiN涂層的設(shè)備可能變得日益普遍使用。因為很多零部件制造商利用干式切削或近似干式切削來達到環(huán)保要求，以減少生產(chǎn)費用。更加耐熱的AlTiN涂層，使切屑離開工件時帶走更多的熱量。這樣，為了降低刀具/工件接觸區(qū)的溫度而使用冷卻液的要求會變得很小，甚至可以不用，這對加工鎳基合金特別有利，因為此時切削刃處的溫度可能高達816℃。美國Teefer市場服務(wù)公司總裁Teefer指出，雖然冷卻液、過濾設(shè)備和處置費用占車間費用的15%，但減少冷卻液消耗的主要動力是為了遵守環(huán)境法規(guī)。他指出，冷卻液用得越少，零件需要清理的也越少。Isoflux涂層設(shè)備制造公司總裁Dave Glocker同意這種看法，并補充說：“同時也節(jié)省費用。” 超級氮化物涂層 目前已經(jīng)有一系列的刀具使用含鋁超過65%的AlTiN涂層，例如，Carboloy公司的涂層鋁含量為67%，Ion Bcnd公司的涂層鋁含量為70%，Ceme Con公司則在2002年7月宣布開發(fā)了一種用于生產(chǎn)超級氮化物涂層的工藝，含鋁量達到80%。 據(jù)Ceme Con公司的技術(shù)經(jīng)理Rainer Cremer介紹，超級氮化物是一種極細顆粒、致密結(jié)構(gòu)的立方晶格金屬氮化物基的硬質(zhì)涂層。 上述涂層是由Ceme Con公司開發(fā)的高度離子化脈沖工藝(H.I.P)生產(chǎn)的，這種工藝基于復式陰極、雙極性、磁控濺射原理。脈沖產(chǎn)生的極高密度等離子體直接導向刀具，對正在生成的薄膜進行高度離子轟擊，從而改善了涂層質(zhì)量。  Cremer指出，H.I.P工藝既可在直流偏壓下工作，也可在脈沖偏壓下工作，這取決于涂層的導電性。H.I.P工藝可以沉積非導電體涂層，因為雙極性法可使刀具和陰極進行有效的周期放電。  Cremer還指出，AlTiN涂層的硬度隨含鋁量的增加而提高，但是含鋁80%氮化鋁的切削性能是否最佳，有待進一步研究。 關(guān)于硬度問題 對于鋁含量超過50%涂層，盡管有時仍按原來叫法稱為TiAlN，但有些公司已把提高鋁含量的涂層稱為AlTiN，以區(qū)別于原來的TiAlN。例如Melin工具公司自2002年6月起就停止使用原來的標準TiAlN涂層，并推薦用AlTiN涂層來替代。TiAlN涂層的硬度為2600HV，而AlTiN涂層的硬度可達4500HV。  圖3多涂層超級氮化物AlTiN涂層的顯微組織 但是，對AlTiN硬度方面的見解并不統(tǒng)一，因為鋁含量并不是影響硬度的唯一因素。Balzers公司的研究開發(fā)部經(jīng)理Wolfgang Kalss就不相信隨著鋁含量上升，涂層硬度相應(yīng)提高這種觀點。他說：“把鋁含量提高到超過65%是可能的。但是提高鋁含量后，也會形成較軟的AlN相，使硬度降低。”他還補充談到，Balzers曾收集分析各種數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在鋁、鈦比達到1：1時，涂層硬度最高。 雖然對AlTiN涂層在切削過程中的硬度值存在爭議，但是對于涂層表面在切削過程中氧化形成Al2O3覆蓋層的說明卻沒有分歧。冶金工藝公司的銷售經(jīng)理Kris Lang說：“因為切削過程中形成了氧化物覆蓋層，使脆性的涂層在抗熱性提高的同時也提高了硬度。” 他補充說明，AlTiN涂層刀具的理想工作速度為183～244m/min，主軸轉(zhuǎn)速為20000～40000r/min或更高，并且切削深度較淺。在這種條件下工作，生產(chǎn)效率較高，主軸所受壓力較小，表面較光潔，切屑較細有利于帶走較多的切削熱。這對切屑下側(cè)的涂層耐久性要求也不象低速切削那么高。這種工作條件對于切削可加工性標準值低達7～8%鎳基合金來說是很需要的。  AlTiN涂層中還可加入碳，這樣在切削鎳基合金時可增加刀具韌性。Lang補充說，正在進行的一項試驗是在涂層中加入硅，作為粘結(jié)劑強化涂層的顯微結(jié)構(gòu)，以改善其性能。  圖4 CC800/9.I.P爐子有一個高壓脈沖刻蝕階段，對工件進行涂前清理。這個功能對于形狀復雜的刀具(鉸刀、復合立銑刀)等特別有利   Lang指出，隨著越來越多的廠家購買加工中心，AlTiN涂層刀具的使用也增加了。他的公司已有40%的涂層采用AlTiN，其中的40%兩年前已開始使用。盡管如此，還應(yīng)了解某種AlTiN涂層和另一種AlTiN涂層性能各不相同。而且，在不同的使用條件下，AlTiN涂層并不總是最經(jīng)濟的或最佳的選擇。  Lang說：“鋁基涂層的種類很多，要找出一種標準的常用涂層，并且要求它對各種具體的使用條件都達到最佳性能卻十分困難。實際上，涂層的成分應(yīng)隨具體使用條件而變。本公司有能力按用戶需要設(shè)計涂層。包括涂層的顯微結(jié)構(gòu)、主要成分、涂層的總體布置(如單層、多層或梯度涂層等)及涂層厚度。”他最后指出，要把涂層看成是刀具的一個組成部分，就象刀具的基體和幾何角度那樣，是可以通過調(diào)整來獲得最佳性能。 研究工作在繼續(xù) 對使用者來說，不管涂層的成分如何，但要求性能和效率不斷提高。Balzers公司的Kalss說：“為提高涂層的抗氧化能力，我們正在探索多種可能性。提高鋁含量是方法之一，還有改進涂層的成分和涂層的結(jié)構(gòu)等。”這些方法還包括在高速干式切削時，在涂層中加入金屬和非金屬元素，以提高涂層性能。 在AlTiN涂層沉積的刀具數(shù)量日益增加的同時，一項旨在開發(fā)含100%氧化鋁的PVD工藝正在研究之中，Kalss說：“有PVD沉積氧化鋁是一個熱門話量，所有的刀片制造商都在尋求這個答案。” 然而，究竟何時才能用PVD法涂覆Al2O3仍然無法確定(CVD涂覆Al2O3很普遍，但其效果不及低溫沉積的PVD方法好)。 與此同時，各公司用鈦合金和鎳基合金來制造零件日益增多，特別是航空航天、核工業(yè)和醫(yī)藥工業(yè)。所以將會繼續(xù)尋求在基體、幾何參數(shù)和涂層多方面綜合優(yōu)化的刀具來滿足其特定的需求。  Isoflux公司的Glocker說：“這些AlTiN涂層都是新近才開發(fā)的，說明涂層的優(yōu)化改進工作仍在不斷的進行之中。” #p#分頁標題#e#