金屬切削行業的特點表現為技術的迅速進步。市場上最重要的趨勢為:
(1)為了提高生產率,采用更高的切削速度。
(2)為了降低成本和環保要求,采用干式加工和/或最小量潤滑(MQL)加工。
(3)為了使零件和結構更輕,采用難加工材料,如高強度材料等。
所有這些趨勢對刀具涂層的耐磨性、抗塑性變形能力和韌性提出更高的要求。
由于具有很高化學穩定性和有利的熱特性,Al2O3是用于金屬高速切削的理想刀具涂層材料。值得強調的是: CVD目前仍然是唯一能經濟地生產高質量Al2O3涂層的技術。
即使在涂層耐磨性領域的大多數出版文獻都在研究PVD,但是,認識到CVD技術(尤其是CVD Al2O3技術)在過去幾年里已取得的重大進展是非常重要的。目前有三種Al2O3相(a-Al2O3,k-Al2O3和g-Al2O3)能以受控方式進行CVD沉積。
a-Al2O3是唯一穩定的Al2O3相,隨著沉積過程中的熱處理、沉積后的熱處理以及金屬切削過程中產生的熱,亞穩定的k相和g相將轉變成穩定相。
令人驚訝的是,已經發現穩定的a-Al2O3 比亞穩定的k-Al2O3更難進行工業規模的CVD沉積。其理由之一是:k-Al2O3的晶核形成在具有fcc結構的TiC、Ti(C,N)或TiN層未氧化的表面上順利地發生。當成核的k-Al2O3相對穩定時,能夠生長到相當大的厚度(>10μm)。因此,如果成核表面是TiC、Ti(C,N) 或TiN(考慮硬質合金時的典型情形),使用CVD進行成核和生長a-Al2O3是不簡單的。這在某種程度上解釋了k-Al2O3作為一種涂層材料的普遍性,而且如今仍然有很多商業化的CVD Al2O3涂層由k-Al2O3組成。
具有完全成核控制的沉積a-Al2O3和k-Al2O3涂層的最新技術水平僅僅是在最近達到了工業規模。氧化鋁相通過Al2O3自身沉積之前的成核措施進行控制,而且所有的個體Al2O3層(k-Al2O3和a-Al2O3)使用相同的工藝參數進行沉積。這種技術使得CVD Al2O3涂層的相含量被完全控制。
如上所述,k-Al2O3是亞穩定的,而且可能在沉積過程以及切削過程(尤其在切削速度高時)中轉變成穩定的a-Al2O3相。相的轉變碰到的體積收縮將降低并最終破壞k-Al2O3層的粘結力。因此,就沉積和耐磨性(尤其在切削速度高時)而言,a-Al2O3相應該是最佳和最安全的選擇。細顆粒和無缺陷的a-Al2O3可顯著提高耐磨性。