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：1597次
一、在各種被加(jia)(jia)工(gong)材料(liao)(liao)(liao)中，沃斯田不(bu)銹鋼、高(gao)錳(meng)鋼、淬硬鋼、復合(he)(he)材料(liao)(liao)(liao)和耐磨鑄鐵等(deng)材料(liao)(liao)(liao)加(jia)(jia)工(gong)難度很高(gao)，但隨(sui)著產業的發展，這些材料(liao)(liao)(liao)的用(yong)量不(bu)斷(duan)增加(jia)(jia)。同時(shi)，今后隨(sui)著各行各業對用(yong)材要求的不(bu)斷(duan)提高(gao)，更多的新(xin)(xin)材料(liao)(liao)(liao)會出現，如在航天工(gong)業領域，鈦合(he)(he)金(jin)(jin)、鎳基(ji)合(he)(he)金(jin)(jin)以(yi)及超(chao)耐熱合(he)(he)金(jin)(jin)、陶(tao)瓷(ci)等(deng)難加(jia)(jia)工(gong)材料(liao)(liao)(liao)，每一種新(xin)(xin)型材料(liao)(liao)(liao)都對切削加(jia)(jia)工(gong)提出了新(xin)(xin)的挑戰。
覆膜(mo)刀(dao)(dao)具(ju)的(de)(de)出現是刀(dao)(dao)具(ju)材料發展(zhan)中的(de)(de)一次(ci)革命(ming)，采(cai)用鍍膜(mo)技術可有效提高(gao)切(qie)削刀(dao)(dao)具(ju)使(shi)用壽命(ming)，使(shi)刀(dao)(dao)具(ju)獲得優良的(de)(de)整體(ti)機械(xie)性(xing)能，從(cong)而大幅度提高(gao)機械(xie)加工(gong)效率。因(yin)此，工(gong)業先進國家使(shi)用的(de)(de)覆膜(mo)刀(dao)(dao)具(ju)在切(qie)削刀(dao)(dao)具(ju)中占的(de)(de)比例越(yue)來越(yue)大，約達70%～80%的(de)(de)比重。所示為刀(dao)(dao)具(ju)鍍膜(mo)的(de)(de)發展(zhan)歷程，從(cong)第一代的(de)(de)單(dan)一膜(mo)層(ceng)(ceng)逐漸發展(zhan)到(dao)多元多層(ceng)(ceng)膜(mo)層(ceng)(ceng)，以滿足不同材料及(ji)切(qie)削環境(jing)的(de)(de)切(qie)削加工(gong)。
pvd真空鍍膜
二、技術發展(zhan)動向
(一)薄(bo)膜的(de)多元化及服務的(de)客制化
進入21世紀的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)PVD技(ji)術(shu)與1990年代相比(bi)，已發生了(le)極大變化，從(cong)單一的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)TiN、TiCN、TiAlN發展(zhan)到(dao)現(xian)在的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)數十種鍍膜型態(tai)，針(zhen)對(dui)(dui)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)切削加(jia)工應用條件(jian)，可對(dui)(dui)薄膜成分、結構進行選(xuan)擇，透過適當(dang)(dang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)備技(ji)術(shu)，以獲取(qu)令人滿意的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)切削效(xiao)果。例如(ru)在齒輪加(jia)工中(zhong)，除了(le)對(dui)(dui) zz覆膜刀具的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)使(shi)用壽命(ming)有嚴(yan)格要求外，如(ru)何保(bao)證(zheng)齒輪的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)精度及表(biao)面質量同(tong)樣至(zhi)關重要，因此(ci)目前普(pu)遍采(cai)用的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)是復合膜層，即硬(ying)涂層+軟涂層，當(dang)(dang)然對(dui)(dui)于不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍍膜廠商(shang)而言，達成此(ci)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)制(zhi)程方法不盡相同(tong)；而在高速銑削加(jia)工中(zhong)，往往只采(cai)用硬(ying)質涂層。此(ci)外客制(zhi)化服務的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)概(gai)念(nian)初步形成，例如(ru)Platit公司的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍍膜設備采(cai)用了(le)開放式工作模式，可針(zhen)對(dui)(dui)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)客戶隨時開發更(geng)適合的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)鍍膜技(ji)術(shu)。
(二)高(gao)速及干式切削(xue)之(zhi)鍍膜(mo)技術的開發
在(zai)高(gao)(gao)(gao)速加工(gong)或(huo)干式切(qie)(qie)削過程中(zhong)，溫度(du)成(cheng)為(wei)影響刀具(ju)使(shi)用(yong)壽命的(de)(de)(de)(de)主要原因(yin)，因(yin)此提高(gao)(gao)(gao)薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫性(xing)能(neng)(neng)、保(bao)證覆(fu)膜(mo)刀具(ju)的(de)(de)(de)(de)紅硬性(xing)成(cheng)為(wei)近(jin)幾(ji)年PVD技術(shu)的(de)(de)(de)(de)開發重點。欲改(gai)進氮(dan)鋁(lv)鈦膜(mo)層(ceng)，提高(gao)(gao)(gao)薄膜(mo)中(zhong)Al的(de)(de)(de)(de)含量是有(you)(you)效(xiao)方法之一，因(yin)此出(chu)現了所謂(wei)的(de)(de)(de)(de)AlTiN鍍(du)層(ceng)(Al含量大(da)于(yu)50%)，應該說(shuo)隨著(zhu)Al含量的(de)(de)(de)(de)增加(在(zai)一定范圍(wei)內)，薄膜(mo)的(de)(de)(de)(de)整體(ti)效(xiao)能(neng)(neng)有(you)(you)所提升，但仍有(you)(you)一些關鍵技術(shu)有(you)(you)待解決(jue)：比如說(shuo)，如何(he)在(zai)生產過程中(zhong)完成(cheng)這(zhe)(zhe)種鍍(du)膜(mo)，尤其當Al含量超過65%時(shi)，在(zai)這(zhe)(zhe)種膜(mo)層(ceng)中(zhong)如何(he)控制AlN的(de)(de)(de)(de)晶體(ti)結構等。從最新的(de)(de)(de)(de)發展來看，各鍍(du)膜(mo)業者(zhe)已透(tou)過其他的(de)(de)(de)(de)薄膜(mo)技術(shu)解決(jue)了高(gao)(gao)(gao)速、高(gao)(gao)(gao)溫切(qie)(qie)削加工(gong)問題(ti)，如Balzers的(de)(de)(de)(de)AlCrN鍍(du)膜(mo)、Platit的(de)(de)(de)(de)(nc-Ti1-xAlxN)/(αSi3N4) 鍍(du)膜(mo)、CemeCon的(de)(de)(de)(de)TINALOX鍍(du)膜(mo)、Metaplas的(de)(de)(de)(de)AlTiN-saturn鍍(du)膜(mo)都具(ju)有(you)(you)優異的(de)(de)(de)(de)高(gao)(gao)(gao)溫性(xing)能(neng)(neng)，并已成(cheng)功應用(yong)于(yu)高(gao)(gao)(gao)速、干式切(qie)(qie)削加工(gong)領域。
五金(jin)鍍膜
(三)膜層組織結構之改(gai)善
目前在PVD市場(chang)中(zhong)，陰(yin)(yin)極(ji)電(dian)弧離(li)子鍍(du)(du)技術仍占主導地位，但與先前不同，無論哪一個采用陰(yin)(yin)極(ji)電(dian)弧離(li)子鍍(du)(du)技術的(de)公司，都試圖透過硬件的(de)開(kai)發及(ji)制(zhi)程(cheng)的(de)調整來(lai)改善膜層(ceng)的(de)組(zu)織(zhi)結構，避免“液滴”和(he)柱狀晶的(de)產生(sheng)。尤其是隨著奈米概念(nian)的(de)出現，致使陰(yin)(yin)極(ji)電(dian)弧薄(bo)膜涂(tu)層(ceng)組(zu)織(zhi)獲得根本(ben)的(de)改善，采用該技術得到的(de)膜層(ceng)表面(mian)粗糙度(du)Ra值(zhi)已小(xiao)于(yu)0.15μm，因此(ci)使得陰(yin)(yin)極(ji)電(dian)弧涂(tu)層(ceng)的(de)整體效能得以提高，并為市場(chang)所接(jie)受。
(四(si))PVD鍍膜(mo)領域(yu)的新(xin)概念
眾所周知，與PVD技術(shu)相對應的是CVD技術(shu)，該項技術(shu)結合強度高、膜(mo)層厚(hou)，并且可以涂鍍α-Al2O3膜(mo)層，因此更適合于(yu)中型、重型切削(xue)的高速、干(gan)式粗加工及半(ban)精(jing)加工領(ling)域。如何利用PVD技術(shu)，開發出(chu)Al2O3鍍膜(mo)技術(shu)，實現厚(hou)膜(mo)鍍層，將PVD涂層技術(shu)擴展到(dao)(dao)粗加工及半(ban)精(jing)加工領(ling)域，這一直是該行業亟待(dai)解決(jue)的難題。而CemeCon公司在(zai)該領(ling)域的研究已取(qu)得(de)了突破(po)性的進展，也預示(shi)著PVD技術(shu)新時代的到(dao)(dao)來。
(五)具(ju)有(you)里程碑意義的奈米鍍膜技術
隨著(zhu)奈(nai)米技術的(de)發展及涂鍍(du)技術的(de)進(jin)步，應用在刀具的(de)奈(nai)米鍍(du)膜材料(liao)(liao)亦引起(qi)廣(guang)大研究者的(de)關注。奈(nai)米鍍(du)膜主要(yao)有兩種：奈(nai)米多(duo)層(ceng)結構(gou)及奈(nai)米復合(he)結構(gou)，刀具中最為常(chang)見(jian)的(de)應用是(shi)奈(nai)米多(duo)層(ceng)結構(gou)鍍(du)膜，一般(ban)是(shi)由晶格常(chang)數相近的(de)各單(dan)層(ceng)硬質膜材料(liao)(liao)交(jiao)疊組(zu)成，可(ke)能得到(dao)與組(zu)成此一多(duo)層(ceng)結構(gou)的(de)各單(dan)層(ceng)膜層(ceng)的(de)效(xiao)能差異顯著(zhu)的(de)全(quan)新(xin)鍍(du)膜。這是(shi)一種人為可(ke)控的(de)一維周期結構(gou)，交(jiao)替(ti)沉積單(dan)層(ceng)涂層(ceng)不超過5～15nm。
