摘要：物理氣相沉積技術(PVD)常被用在切削刀具上，以延長刀具的使用壽命及提高其硬度。當然，不同的應用情況都有其特定的涂層，能夠達到最好的應用效果。一般情況下，AlTiN（氮鈦化鋁）是常見的刀具涂層。對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1000ºC。這種極端的熱量將破壞刀具材料各成分的結合力及其它成分，還有可能導致刀具和被加工材料間發生有害的化學反應。磨損是切削過程中始終發生的過程：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程中非常普遍的情況；在切削過程中，刀片被加熱，當刀片離開切削面時，刀片被冷卻。機械振蕩在加工斷續表面時經常發生。根據具體操作和被加工工件的情況，機械振蕩有時扮演著車削加工的角色。粘連磨損經常發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程中不利因素的影響，許多切削刀具都通過在PVD設備內的電弧沉積技術沉積了一層AlTiN涂層。AlTiN類的涂層主要應用在干式高速切削加工中，并具有很好很多的優點，如高硬度（Hv＞30GPa），很好的耐磨損性能，很好的耐高溫氧化性（850ºC），以及低的熱傳導性。

    3 氧化鋁Al2O3涂層

    在一些應用上需要特殊的涂層，如氧化鋁涂層。比如硬質合金刀片上的氧化鋁涂層具有抗月牙洼和抗熱裂化的優點。氧化鋁涂層的刀片通常是CVD（化學氣相沉積）方法沉積的，但是有一些缺點：因為是在高溫下的沉積（1000ºC），硬質合金變脆將影響刀片在金屬切削方面的應用，尤其是在銑削方面。氧化鋁的PVD涂層因為其較低的沉積溫度范圍（一般在350ºC到600ºC之間）帶來了很多優點。特別是高溫穩定性，化學穩定性和低導熱導電性能是其優于其它涂層的特點。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PVD涂層相比顯示了更好的性能。
    通過分析AlTiN涂層和氧化鋁涂層的界面顯微結構，氧化鋁涂層與面心立方晶格AlTiN非常好地結合。結構分析顯示氧化鋁涂層是以γ相存在的非晶鉻結構。晶粒尺寸大概是在5～10nm。最初的切削試驗是使用標準SP12刀片，用來干式銑削加工CrMo4鋼。

    4 混合涂層設備

    使用混合涂層技術的PVD涂層設備：陰極電弧蒸發技術和磁控濺射技術在一個工藝過程中混合使用。混合技術結合了PVD硬膜的優點，出色的耐磨損性能，低摩擦系數和低化學活動性。電弧涂層作為結合層，給整個涂層提供必要的抗磨損能力；氧化鋁涂層具有溫度和化學穩定性。
    沉積前，被加工工件被加熱到工藝溫度，系統被抽至基壓。隨后工件被氬離子或金屬離子蝕刻。然后開始沉積電弧層，在其頂部氧化鋁涂層通過濺射方法，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的涂層在一些特殊情況下應用。氧化鋁涂層通過一種獨特設計的濺射陰極結合工藝氣體的優化設計系統沉積而成。通過電磁感應線圈形成的閉路磁場在工件附近形成了高離化率的等離子體，進而實現要求的涂層性能。此項技術的優點是工藝過程易于控制，沉積過程的穩定一致。沉積速率(≥0.5μm/h)完全能夠滿足工業生產的需求。

    5 結論

    通過電弧技術沉積的工具涂層，如AlTiN涂層能夠進一步提高刀具的應用性能。刀具涂層技術的下一步發展應該是基于電弧技術和濺射技術的混合技術。正是將這兩種技術結合在一起，形成了對刀具應用性能新突破的基礎。