PVD鍍膜技術在切削刀具應用之最新發展趨勢
發布時間：2021-09-30 瀏覽次數：1998次
一(yi)(yi)、在各(ge)種被加(jia)(jia)工材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)中，沃斯田不(bu)銹鋼(gang)、高錳鋼(gang)、淬硬(ying)鋼(gang)、復合材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)和(he)耐(nai)磨鑄(zhu)鐵(tie)等材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)加(jia)(jia)工難度很高，但隨(sui)著產業(ye)的(de)發展，這些(xie)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)的(de)用量不(bu)斷(duan)增加(jia)(jia)。同時，今后隨(sui)著各(ge)行(xing)各(ge)業(ye)對用材(cai)(cai)(cai)要求的(de)不(bu)斷(duan)提高，更(geng)多的(de)新(xin)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)會出現，如(ru)在航天工業(ye)領域，鈦合金(jin)、鎳(nie)基(ji)合金(jin)以及超(chao)耐(nai)熱合金(jin)、陶(tao)瓷(ci)等難加(jia)(jia)工材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)，每一(yi)(yi)種新(xin)型材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)(liao)都對切削加(jia)(jia)工提出了新(xin)的(de)挑戰。
覆膜(mo)(mo)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)出現是刀(dao)(dao)具(ju)材(cai)料發展中的(de)一次革命，采(cai)用(yong)鍍(du)膜(mo)(mo)技術可有效提高(gao)切削(xue)(xue)刀(dao)(dao)具(ju)使用(yong)壽命，使刀(dao)(dao)具(ju)獲得優良的(de)整體機械(xie)性能(neng)，從而(er)大(da)幅(fu)度(du)提高(gao)機械(xie)加工(gong)效率。因此，工(gong)業(ye)先進國(guo)家使用(yong)的(de)覆膜(mo)(mo)刀(dao)(dao)具(ju)在切削(xue)(xue)刀(dao)(dao)具(ju)中占的(de)比(bi)例越(yue)來越(yue)大(da)，約達(da)70%～80%的(de)比(bi)重。所示為刀(dao)(dao)具(ju)鍍(du)膜(mo)(mo)的(de)發展歷程，從第(di)一代的(de)單一膜(mo)(mo)層逐漸發展到多元多層膜(mo)(mo)層，以滿足不同(tong)材(cai)料及切削(xue)(xue)環境的(de)切削(xue)(xue)加工(gong)。
pvd真空(kong)鍍膜
二、技(ji)術(shu)發展(zhan)動(dong)向
(一)薄膜(mo)的(de)多元化及服務(wu)的(de)客(ke)制化
進(jin)入(ru)21世(shi)紀的(de)(de)PVD技術與(yu)1990年(nian)代相比(bi)，已(yi)發(fa)生了(le)極大變化，從單一的(de)(de)TiN、TiCN、TiAlN發(fa)展到現在的(de)(de)數十種鍍(du)膜(mo)(mo)(mo)(mo)型態，針對(dui)(dui)(dui)不同的(de)(de)切削加(jia)工(gong)應用(yong)條件，可對(dui)(dui)(dui)薄膜(mo)(mo)(mo)(mo)成分(fen)、結(jie)構(gou)進(jin)行選擇，透(tou)過(guo)適當的(de)(de)制(zhi)備技術，以獲(huo)取令人滿意的(de)(de)切削效果。例如在齒輪加(jia)工(gong)中(zhong)，除了(le)對(dui)(dui)(dui) zz覆膜(mo)(mo)(mo)(mo)刀具的(de)(de)使用(yong)壽命有(you)嚴格要(yao)(yao)求外，如何保證齒輪的(de)(de)精(jing)度及表面質(zhi)量同樣至關重要(yao)(yao)，因此目前普遍采(cai)用(yong)的(de)(de)是(shi)復(fu)合膜(mo)(mo)(mo)(mo)層(ceng)(ceng)，即硬涂層(ceng)(ceng)+軟涂層(ceng)(ceng)，當然對(dui)(dui)(dui)于不同的(de)(de)鍍(du)膜(mo)(mo)(mo)(mo)廠商而言，達成此目的(de)(de)的(de)(de)制(zhi)程方(fang)法不盡相同；而在高速銑(xian)削加(jia)工(gong)中(zhong)，往往只采(cai)用(yong)硬質(zhi)涂層(ceng)(ceng)。此外客制(zhi)化服務的(de)(de)概念初步(bu)形成，例如Platit公司的(de)(de)鍍(du)膜(mo)(mo)(mo)(mo)設備采(cai)用(yong)了(le)開放(fang)式工(gong)作(zuo)模式，可針對(dui)(dui)(dui)不同的(de)(de)客戶隨時開發(fa)更(geng)適合的(de)(de)鍍(du)膜(mo)(mo)(mo)(mo)技術。
(二(er))高(gao)速及干式(shi)切削之鍍膜技術的開發
在(zai)高(gao)速加(jia)工(gong)或干式切削過(guo)程中(zhong)，溫(wen)度(du)成為影(ying)響刀具(ju)使用壽命的(de)(de)(de)(de)(de)(de)主要原(yuan)因(yin)(yin)，因(yin)(yin)此提(ti)高(gao)薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)性能(neng)(neng)、保(bao)證覆膜(mo)刀具(ju)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)紅(hong)硬(ying)性成為近(jin)幾年PVD技(ji)術(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)開發重點。欲改進氮鋁(lv)鈦(tai)膜(mo)層，提(ti)高(gao)薄膜(mo)中(zhong)Al的(de)(de)(de)(de)(de)(de)含(han)量是有(you)效方法之一，因(yin)(yin)此出現(xian)了(le)所謂的(de)(de)(de)(de)(de)(de)AlTiN鍍層(Al含(han)量大于50%)，應該(gai)說隨著Al含(han)量的(de)(de)(de)(de)(de)(de)增加(jia)(在(zai)一定范(fan)圍內)，薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)整(zheng)體(ti)效能(neng)(neng)有(you)所提(ti)升，但(dan)仍有(you)一些關鍵技(ji)術(shu)有(you)待解決：比如(ru)說，如(ru)何在(zai)生產過(guo)程中(zhong)完成這種鍍膜(mo)，尤其(qi)當(dang)Al含(han)量超過(guo)65%時(shi)，在(zai)這種膜(mo)層中(zhong)如(ru)何控(kong)制(zhi)AlN的(de)(de)(de)(de)(de)(de)晶體(ti)結構等。從最新(xin)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展來看，各鍍膜(mo)業者已透過(guo)其(qi)他的(de)(de)(de)(de)(de)(de)薄膜(mo)技(ji)術(shu)解決了(le)高(gao)速、高(gao)溫(wen)切削加(jia)工(gong)問題，如(ru)Balzers的(de)(de)(de)(de)(de)(de)AlCrN鍍膜(mo)、Platit的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(nc-Ti1-xAlxN)/(αSi3N4) 鍍膜(mo)、CemeCon的(de)(de)(de)(de)(de)(de)TINALOX鍍膜(mo)、Metaplas的(de)(de)(de)(de)(de)(de)AlTiN-saturn鍍膜(mo)都(dou)具(ju)有(you)優(you)異的(de)(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)性能(neng)(neng)，并(bing)已成功應用于高(gao)速、干式切削加(jia)工(gong)領(ling)域。
五金鍍膜
(三)膜層組織(zhi)結(jie)構之改善
目(mu)前(qian)在PVD市(shi)場中，陰極(ji)電弧(hu)離(li)(li)子(zi)鍍(du)技術仍(reng)占主導地位，但與先前(qian)不同，無論哪一(yi)個采用(yong)(yong)陰極(ji)電弧(hu)離(li)(li)子(zi)鍍(du)技術的公司，都試(shi)圖透過硬(ying)件的開發(fa)及制程的調(diao)整來改善膜層的組織(zhi)結構，避(bi)免“液滴”和柱狀(zhuang)晶的產(chan)生。尤(you)其是隨(sui)著(zhu)奈米概念的出(chu)現，致使(shi)陰極(ji)電弧(hu)薄膜涂層組織(zhi)獲得(de)根本(ben)的改善，采用(yong)(yong)該技術得(de)到的膜層表面粗糙(cao)度Ra值已小于(yu)0.15μm，因此(ci)使(shi)得(de)陰極(ji)電弧(hu)涂層的整體(ti)效(xiao)能(neng)得(de)以提高，并為市(shi)場所接(jie)受。
(四)PVD鍍膜領域的新概念
眾(zhong)所周知，與(yu)PVD技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)相對應(ying)的是(shi)CVD技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，該(gai)(gai)項技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)結合(he)強度高、膜層厚，并且可(ke)以涂鍍(du)α-Al2O3膜層，因此更適(shi)合(he)于(yu)中型(xing)、重型(xing)切削的高速、干式粗加工(gong)(gong)及半(ban)精加工(gong)(gong)領(ling)(ling)域。如(ru)何利(li)用PVD技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，開(kai)發出(chu)Al2O3鍍(du)膜技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)，實現(xian)厚膜鍍(du)層，將PVD涂層技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)擴展到(dao)粗加工(gong)(gong)及半(ban)精加工(gong)(gong)領(ling)(ling)域，這一直(zhi)是(shi)該(gai)(gai)行(xing)業亟待解決的難題。而CemeCon公司在(zai)該(gai)(gai)領(ling)(ling)域的研究(jiu)已取得了突破(po)性的進展，也預(yu)示著PVD技(ji)(ji)(ji)術(shu)(shu)(shu)新時代(dai)的到(dao)來。
(五)具有里程碑意(yi)義的奈米(mi)鍍膜(mo)技術
隨著奈(nai)(nai)米(mi)(mi)技術的(de)(de)發展及涂(tu)鍍(du)技術的(de)(de)進步，應用在刀具(ju)的(de)(de)奈(nai)(nai)米(mi)(mi)鍍(du)膜(mo)材(cai)料(liao)亦引(yin)起廣(guang)大研究(jiu)者的(de)(de)關注(zhu)。奈(nai)(nai)米(mi)(mi)鍍(du)膜(mo)主要有兩種(zhong)：奈(nai)(nai)米(mi)(mi)多層(ceng)結(jie)(jie)構(gou)及奈(nai)(nai)米(mi)(mi)復合結(jie)(jie)構(gou)，刀具(ju)中最為(wei)常見的(de)(de)應用是奈(nai)(nai)米(mi)(mi)多層(ceng)結(jie)(jie)構(gou)鍍(du)膜(mo)，一(yi)般是由晶格常數相近的(de)(de)各(ge)單(dan)層(ceng)硬質膜(mo)材(cai)料(liao)交(jiao)疊(die)組成，可(ke)能(neng)得到與組成此一(yi)多層(ceng)結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)各(ge)單(dan)層(ceng)膜(mo)層(ceng)的(de)(de)效能(neng)差異(yi)顯著的(de)(de)全新鍍(du)膜(mo)。這是一(yi)種(zhong)人為(wei)可(ke)控(kong)的(de)(de)一(yi)維周期結(jie)(jie)構(gou)，交(jiao)替(ti)沉積單(dan)層(ceng)涂(tu)層(ceng)不超過5～15nm。
