氧化鋁概述
氧化鋁薄膜具有很多優異的材料特性，特別是高溫穩定性、化學穩定性和低導熱性。現在氧化鋁薄膜被廣泛應用在硬質合金刀片上作為耐磨涂層材料。盡管具有這些優異的特性，但是氧化鋁薄膜并沒有被廣泛應用到其它領域，主要原因是當今的行業標準仍然是建立在熱化學氣相沉積（CVD）工藝基礎上的。
雖然CVD工藝具有很多優點，但也有明顯的缺點，即工藝過程所要求的高溫（1000℃）。豪澤公司開發出了一種新工藝，能夠在350℃～600℃的標準溫度下通過物理氣相沉積濺射方法（PVDsputtering）沉積氧化鋁，這樣就大大拓展了其應用范圍。
自從2005年豪澤公司在歐洲機床展覽會EMO上宣布Al2O3的PVD涂層方面取得重大突破以來，豪澤公司就已經開始與世界主要刀具制造商和氧化鋁模鑄模具用戶合作進行試驗項目。下面將對涂層特性進行討論，并介紹這種通過電弧和磁控濺射技術相結合的混合工藝進行沉積所取得的新涂層的成果。
刀具磨損情況
在加工過程中，刀具將出現幾種磨損情況。刀具本身必須要能耐受高溫、高壓、磨損和熱沖擊。在切削過程中，刃口溫度將超過1000℃。在此高溫下，刀具的粘合劑及其它構成部分會出現退化，并導致刀具和工件之間出現有害的化學反應。切削過程總是伴有摩損的發生，刀具和工件切入接觸時的壓力大于140bar（2000PSI）。
熱沖擊——刀具急冷急熱，這是銑削加工中普遍發生的。刀片在切削過程中加熱，在離開切削面時冷卻。在銑削和切削斷續的加工表面時會有機械沖擊。車削中有時會有機械沖擊，具體根據操作情況和工件條件的不同而有所不同。在工件與刀具發生粘結時（產生積屑瘤）會出現粘結磨損。
CVD和PVD的氧化鋁涂層
如今CVD氧化鋁涂層刀片在工業上得到廣泛應用，CVD氧化鋁涂層的性能也得到廣泛認知。由于氧化鋁的高硬度（尤其是在高溫下）、高氧化溫度（>1000℃）、化學惰性和低導熱率，氧化鋁涂層刀具的性能得到很大提高。然而，CVD工藝過程通常需要在800℃～1000℃的高溫下進行，這就限制了CVD工藝在硬質合金底基上的應用。由于硬質合金刀具變脆將導致韌性的降低。而PVD工藝過程因其400℃～600℃的低沉積溫度，較之于CVD工藝有明顯的優點。
以PVD工藝制作氧化鋁涂層的主要限制因素在于沉積過程中絕緣層沉積在涂層系統內部的所有表面，包括底基和底基座、靶材侵蝕面外的靶材部分和真空腔內壁。這將導致由于靶材“中毒”和陽極消失而引起的偏壓電源和陰極（電弧）電源的不穩定情況。解決此問題比較成功的兩個技術是：RF（射頻）濺射和BP－DMS（兩極脈沖雙磁控濺射）。
氧化鋁涂層設備
PVD氧化鋁系統應能以較高的沉積速率（短工作周期）沉積最低限度的γ－相氧化鋁，并且具有穩定的涂層特性。系統應能夠在高溫下運行并且技術本身成本不高。最好用單陰極系統，這樣可將現存設備升級為可鍍氧化鋁的涂層設備。豪澤公司的T－模式控制系統可使靶材表面在氧化沉積過程中處于過渡狀態，這要求專門的陰極的設計和閉合磁場內的非平衡磁控。為得到最佳的反應氣體引入，采用了特殊的控制系統。在約兩年的時間內在幾個生產設備上得到驗證了此系統。
涂層的優化
最初的工作集中在建立正確的化學計量氧化鋁涂層作用點。對影響工藝過程的一些參數進行了研究，如偏壓、UBM線圈電流、溫度、氣體分壓（氬氣/氧氣）及陰極電源等。
離子轟擊影響涂層的硬度，這需要從偏壓上處理，偏壓應足夠高，但是要低于閾限，以避免氬離子注入。鑒于涂層是絕緣體，使用脈沖偏壓，同時脈沖偏壓也可以限制電弧對底基的影響。必須根據涂層的厚度和硬度，對偏壓進行優化。
面層是由濺射鍍膜獲得的，因此相對比較平整。而底層涂層是由電弧鍍膜獲得的，其粗糙度可以從面層涂層檢測到。濺射鍍膜的氧化鋁涂層比電弧蒸發獲得的氧化鋁涂層平整，因為鋁較低的熔點容易產生很多液滴，即使采用脈沖模式的電弧蒸發也是如此。高硬度氧化鋁需要高的離子密度才能得到，可使用雙磁控濺射（即在一臺設備內使用兩個陰極）或者使用閉合磁場布局。在后一種情況中，等離子體條件下的高離子密度伴有支持非平衡磁控的磁場。離子密度可以通過磁場線圈的電流來調整。為了形成閉合磁場，每個相鄰的UBM線圈產生方向相反的磁場。對應陰極也作相應設計。測量偏壓電流的改變可以測量到電離密度的增強程度。通過此方法，增加了涂層密度，也提高了其硬度。提高線圈電流可以增加偏壓電流，直到磁場強度達到飽和。達到飽和點后，提高線圈電流不再增加偏壓電流。飽和后的情況會在涂層的硬度上體現出來。
性能測試
對涂層做SEM（掃描電子顯微鏡）和HRTEM（高分辨透射電鏡）檢測。斷面圖清晰地表示出刀片上AlTiN和Al2O3的結構和HRTEM分析的TiAlN－Al界面。從中可以看出Al層和fcc晶體結構TiAlN結合良好。另外，通過GIXRD（低負X射線衍射法）和SAED（選區電子衍射像法）結構分析表明其為γ－相非晶體氧化鋁涂層。晶格尺寸5－10nm。
工業應用前景——鋁模鑄
制作鋁模鑄用模具的傳統方法是真空滲氮，然后金屬電鍍。使用PVD方法制造的鋁制泵體用模具能夠承受9000次鑄模，直到模具表面磨損到不能使用的程度。磨損機理是模具楞面由于高注射壓力而出現的磨損。此外，與鋁的粘結磨損占磨損的很大比重。因為鑄模溫度很高（>600℃），也存在熱磨損。在修磨和重新電鍍后，工作壽命下降到4500次。AlTiN＋Al2O3涂層能夠很好地防止熱沖擊造成的破裂。此涂層的另一個優點是其惰性，可以防止鋁粘結到模具表面。模具的平均故障時間延長了一倍。
結語
1．T－模式技術實現了在溫度>450℃，以高沉積速率沉積γ－相氧化鋁。
2．涂層調整到理想的性能。離化率是得到高硬度晶狀體涂層的決定因素。
3．現場刀片試驗表明此涂層在切削加工方面有很好的性能。
4．對不銹鋼、Ti合金和Ni合金的切削性能有明顯提高。
5．現場試驗表明此涂層對鋁鑄模性能有明顯的提高。
6．粘結（積屑瘤形成）減少，抗磨損能力提高。
