新型PVD刀具涂层AlCrN的应用包覆垫片
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新型PVD刀具涂层AlCrN的应用
新型PVD刀具涂层AlCrN的应用 2011年12月10日 来源： TiAlN和AlTiN是将Al元素沉积到TiN中而形成的PVD刀具涂层。迄今为止，通过增加TiAlN、AlTiN涂层中的铝含量，从而增强刀具涂层的耐高温性能和硬度，一直是刀具制造商和涂层公司关注的重大技术课题。自1995年以来，人们一直在持续不断地研究和改进相关的气相沉积工艺。到2000年，TiAlN和AlTiN涂层中铝元素与钛元素的成分比例已从原来的1∶2提高到3∶2，即铝含量已从33％增加到60％。 为了进一步提高涂层中的铝含量，总部位于列支敦士登的巴尔查斯（Balzers）涂层公司经过大量研究开发，发明了用铬元素取代钛元素的涂层技术，并于2004年推出了商品名为“Balinit Alcorna”的单层AlCrN涂层。AlCrN涂层的铝含量比一般的AlTiN涂层更高，适用于包括齿轮滚刀、立铣刀、铣刀片在内的多种高速钢和硬质合金刀具。此外，它也可以用于车削刀具，但仅限于耐热性和扩散稳定性极好的基体材料，如PCBN和Si3N4陶瓷。在EMO Hannover 2005展览会上，巴尔查斯公司又推出了商品名为“Balinit Helica”，专为孔加工刀具设计的多层AlCrN涂层。这种超光滑涂层可应用于任何硬质合金或高速钢钻头上，从而显著增强了钻头的耐磨性和剪切强度，并有利于提高钻头的排屑性能。
在扫描电子显微镜（SEM）下观察硬质合金基体上Balinit Alcorna涂层的剖面微观结构时，可以清楚地看到厚度为3～4μm，呈连续结构的单层涂层；而在Balinit Helica涂层的SEM图像中，多层涂层结构清晰可辨。Helica多层涂层的总厚度约为4μm，但对于直径小于1/8″的小钻头，涂层厚度以1～2μm更为适宜。
虽然100％的Al2O3（纯氧化铝）PVD涂层可为切削刀具提供最佳的热防护作用（在切削加工时，AlTiN和AlCrN涂层中的AlN成分将“转化”为Al2O3），但是这种涂层的应用范围十分有限。虽然PVD Al2O3涂层技术已经获得了专利，且已能在使用交流电源（或脉冲直流电源）的实验室规模小型反应炉上对刀具进行Al2O3 PVD涂层，但目前在商业化规模的大型反应炉上实现Al2O3 PVD涂层仍然存在不少问题。这是因为Al2O3与其它可导电涂层材料不同，它是一种绝缘体。因此，采用等离子沉积原理的PVD涂层工艺在涂层沉积过程中需要外加偏置电压，即在被涂刀具与等离子靶源之间必须存在一定的电势差。总之，氧化铝的绝缘特性使PVD工艺相当难于控制，此外，PVD Al2O3涂层的经济性也较差。[注：德国瓦尔特公司（Walter AG）已在EMO 2005展览会上推出了名为Tiger•tec的PVD Al2O3涂层。]
由于受到涂层结构稳定性的限制，AlTiN涂层中的铝含量实际已达到最大值（约65％）。在TiN基涂层中，铝含量过高会引起涂层晶体结构由立方晶格转化为六方晶格；而在CrN基涂层中，铝含量可以进一步提高而不会引起AlCrN涂层的晶体结构发生改变。
与其它涂层一样，AlCrN涂层的抗变形能力也取决于涂层材料的晶格形状。具有立方晶格的涂层能够保持很高的红硬性，即当涂层暴露于刀具/工件界面的切削高温中时仍能保持其高硬度。一旦涂层的晶体结构转变为六方晶格，就会因抗变形能力下降而使硬度降低。TiAlN涂层的硬度在约800℃时即大幅下降，AlTiN涂层在温度不到900℃时也会出现硬度降低的现象；而AlCrN涂层在温度达到1100℃时仍可保持其硬度。即使在1100℃的高温下，AlCrN涂层也能保护刀具基体不发生氧化。Balzers公司AlCrN系列涂层在50g核定负荷下的硬度水平可达到2800～3200HV。
由于AlCrN涂层的高红硬性使其在极高的热负荷下仍可保持性能稳定，因此AlCrN涂层刀具比其它类型涂层刀具的加工性能更为优异，尤其在高速切削、干式（或准干式）切削加工条件下更具优势。例如，Balzers公司切削实验室进行的切削试验证明，当分别以200m/min和400m/min的切削速度对Ck45钢工件进行精铣加工时，AlCrN涂层铣刀的使用寿命远远高于TiAlN涂层铣刀。不过也有例外，在加工高硬度（≥54HRC）工件材料（如模具钢）时，AlTiN涂层的性能要优于AlCrN涂层（刀具寿命延长20％～40％，而刀具价格降低约25％）。但在加工硬度较低（＜54HRC）的材料（如合金钢、铸铁）以及粘性较大的材料（如低碳钢、不锈钢）时，AlCrN涂层的切削效能则明显高于AlTiN涂层（在切削速度和进给量相当的情况下，刀具寿命可提高25％～100％）。
此外，AlCrN涂层也被推荐用于加工产生长切屑的工件材料（如不锈钢），这是因为长切屑在成形时与刀具的前刀面有更多接触，刀具与工件接触程度的增加会产生大量切削热。而AlCrN涂层的摩擦系数较小，可降低刀具与切屑之间的粘附性，起到减少切削热的作用。
此外，与TiN基涂层相比，AlCrN涂层在加工时可导致刀具磨损和切屑成形方式的改变，即AlCrN涂层刀具的后刀面磨损（VB）明显小于TiAlN涂层刀具，且磨损槽的宽度（KB）也较小，但磨损槽的深度（KT）却有所增大。发生这种变化的原因是由于用AlCrN涂层刀具