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：1981次
一、在(zai)各(ge)種被(bei)加(jia)(jia)工材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)中，沃斯田不銹鋼(gang)、高錳(meng)鋼(gang)、淬(cui)硬鋼(gang)、復合(he)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)和耐磨鑄鐵等(deng)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)加(jia)(jia)工難(nan)度很高，但隨著(zhu)產(chan)業(ye)的發展，這(zhe)些材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)的用量不斷(duan)增加(jia)(jia)。同時(shi)，今后隨著(zhu)各(ge)行各(ge)業(ye)對(dui)用材(cai)(cai)(cai)要(yao)求的不斷(duan)提(ti)高，更多的新材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)會出現，如在(zai)航天工業(ye)領域(yu)，鈦合(he)金(jin)、鎳基合(he)金(jin)以及超(chao)耐熱合(he)金(jin)、陶瓷等(deng)難(nan)加(jia)(jia)工材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)，每一種新型(xing)材(cai)(cai)(cai)料(liao)(liao)都對(dui)切削(xue)加(jia)(jia)工提(ti)出了新的挑戰。
覆膜刀(dao)具的(de)(de)(de)(de)出現是(shi)刀(dao)具材料發展中(zhong)的(de)(de)(de)(de)一(yi)次(ci)革命，采(cai)用(yong)鍍膜技術可有效提高(gao)切(qie)(qie)削刀(dao)具使用(yong)壽命，使刀(dao)具獲得優良(liang)的(de)(de)(de)(de)整體機械性能(neng)，從而大幅度(du)提高(gao)機械加工效率。因此，工業(ye)先進國家使用(yong)的(de)(de)(de)(de)覆膜刀(dao)具在切(qie)(qie)削刀(dao)具中(zhong)占的(de)(de)(de)(de)比例越(yue)來越(yue)大，約達70%～80%的(de)(de)(de)(de)比重。所示為刀(dao)具鍍膜的(de)(de)(de)(de)發展歷(li)程，從第一(yi)代的(de)(de)(de)(de)單一(yi)膜層(ceng)逐漸發展到多(duo)元多(duo)層(ceng)膜層(ceng)，以滿足不(bu)同材料及(ji)切(qie)(qie)削環境的(de)(de)(de)(de)切(qie)(qie)削加工。
pvd真(zhen)空鍍膜
二、技術發展動(dong)向
(一(yi))薄膜的(de)多元化及服務的(de)客制化
進(jin)入21世紀(ji)的(de)(de)PVD技術與(yu)1990年代相比，已發(fa)(fa)生(sheng)了極大變化(hua)，從單一(yi)的(de)(de)TiN、TiCN、TiAlN發(fa)(fa)展(zhan)到現在(zai)的(de)(de)數(shu)十種鍍(du)膜型態，針對不(bu)同(tong)的(de)(de)切(qie)削加工應用(yong)(yong)條件，可(ke)對薄(bo)膜成(cheng)分(fen)、結構(gou)進(jin)行選擇，透過(guo)適(shi)當的(de)(de)制備技術，以(yi)獲取令人滿意的(de)(de)切(qie)削效果。例如在(zai)齒輪加工中，除了對 zz覆膜刀具的(de)(de)使用(yong)(yong)壽(shou)命有嚴格要(yao)求外，如何保(bao)證齒輪的(de)(de)精度及表面(mian)質(zhi)量(liang)同(tong)樣(yang)至關重要(yao)，因此(ci)(ci)目(mu)前普遍采用(yong)(yong)的(de)(de)是復合膜層(ceng)，即硬涂層(ceng)+軟(ruan)涂層(ceng)，當然對于不(bu)同(tong)的(de)(de)鍍(du)膜廠商而言，達成(cheng)此(ci)(ci)目(mu)的(de)(de)的(de)(de)制程方法不(bu)盡相同(tong)；而在(zai)高速銑(xian)削加工中，往往只采用(yong)(yong)硬質(zhi)涂層(ceng)。此(ci)(ci)外客(ke)制化(hua)服務(wu)的(de)(de)概念初步(bu)形(xing)成(cheng)，例如Platit公司的(de)(de)鍍(du)膜設(she)備采用(yong)(yong)了開放式工作模式，可(ke)針對不(bu)同(tong)的(de)(de)客(ke)戶隨(sui)時(shi)開發(fa)(fa)更適(shi)合的(de)(de)鍍(du)膜技術。
(二)高速及干式(shi)切削之鍍膜(mo)技術的開發
在(zai)高(gao)速加(jia)工或干式(shi)(shi)切(qie)削(xue)過(guo)程中(zhong)，溫(wen)度(du)成(cheng)(cheng)為影響刀具使用壽(shou)命的(de)(de)(de)(de)主要原因，因此提(ti)高(gao)薄膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)性能、保證覆膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)刀具的(de)(de)(de)(de)紅硬性成(cheng)(cheng)為近幾(ji)年PVD技術(shu)的(de)(de)(de)(de)開發重點。欲改進氮鋁鈦(tai)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層，提(ti)高(gao)薄膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)中(zhong)Al的(de)(de)(de)(de)含(han)(han)(han)量是(shi)有(you)效(xiao)方法(fa)之一，因此出現了(le)所(suo)(suo)謂的(de)(de)(de)(de)AlTiN鍍層(Al含(han)(han)(han)量大于50%)，應(ying)該說(shuo)隨著Al含(han)(han)(han)量的(de)(de)(de)(de)增加(jia)(在(zai)一定(ding)范圍內)，薄膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)的(de)(de)(de)(de)整(zheng)體效(xiao)能有(you)所(suo)(suo)提(ti)升，但(dan)仍有(you)一些關鍵技術(shu)有(you)待解(jie)決：比如(ru)說(shuo)，如(ru)何(he)在(zai)生(sheng)產過(guo)程中(zhong)完成(cheng)(cheng)這(zhe)種(zhong)鍍膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)，尤其(qi)當Al含(han)(han)(han)量超過(guo)65%時，在(zai)這(zhe)種(zhong)膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)層中(zhong)如(ru)何(he)控制AlN的(de)(de)(de)(de)晶體結構等。從最新的(de)(de)(de)(de)發展(zhan)來看，各鍍膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)業者已透過(guo)其(qi)他的(de)(de)(de)(de)薄膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)技術(shu)解(jie)決了(le)高(gao)速、高(gao)溫(wen)切(qie)削(xue)加(jia)工問題，如(ru)Balzers的(de)(de)(de)(de)AlCrN鍍膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)、Platit的(de)(de)(de)(de)(nc-Ti1-xAlxN)/(αSi3N4) 鍍膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)、CemeCon的(de)(de)(de)(de)TINALOX鍍膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)、Metaplas的(de)(de)(de)(de)AlTiN-saturn鍍膜(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)都具有(you)優異(yi)的(de)(de)(de)(de)高(gao)溫(wen)性能，并已成(cheng)(cheng)功應(ying)用于高(gao)速、干式(shi)(shi)切(qie)削(xue)加(jia)工領域。
五(wu)金鍍膜
(三)膜層組織結(jie)構之改善
目前(qian)在PVD市場(chang)中，陰(yin)極電(dian)(dian)弧離子鍍技術(shu)仍占主導地(di)位，但與先前(qian)不同，無論哪一(yi)個采(cai)用(yong)陰(yin)極電(dian)(dian)弧離子鍍技術(shu)的(de)公司，都試(shi)圖透過硬件的(de)開(kai)發(fa)及制程(cheng)的(de)調整來改善(shan)膜層的(de)組織(zhi)結構(gou)，避免“液滴(di)”和柱狀(zhuang)晶的(de)產生。尤其是(shi)隨(sui)著(zhu)奈米概念的(de)出現，致使陰(yin)極電(dian)(dian)弧薄膜涂層組織(zhi)獲得(de)(de)根本的(de)改善(shan)，采(cai)用(yong)該技術(shu)得(de)(de)到的(de)膜層表(biao)面粗糙度(du)Ra值已(yi)小于(yu)0.15μm，因此(ci)使得(de)(de)陰(yin)極電(dian)(dian)弧涂層的(de)整體(ti)效能得(de)(de)以提(ti)高，并為市場(chang)所接(jie)受。
(四)PVD鍍膜領域(yu)的新(xin)概念
眾所周知(zhi)，與PVD技(ji)術(shu)相對應的是(shi)CVD技(ji)術(shu)，該項技(ji)術(shu)結合強度高、膜(mo)層厚，并且(qie)可以(yi)涂鍍α-Al2O3膜(mo)層，因(yin)此更適合于(yu)中型、重型切削的高速、干式粗加工(gong)(gong)及(ji)半精加工(gong)(gong)領域。如何利用PVD技(ji)術(shu)，開發出Al2O3鍍膜(mo)技(ji)術(shu)，實現厚膜(mo)鍍層，將PVD涂層技(ji)術(shu)擴展到(dao)粗加工(gong)(gong)及(ji)半精加工(gong)(gong)領域，這一(yi)直是(shi)該行(xing)業亟待解決的難題。而(er)CemeCon公司在該領域的研(yan)究已取(qu)得(de)了突破(po)性的進展，也(ye)預示著PVD技(ji)術(shu)新時代的到(dao)來(lai)。
(五)具(ju)有里程碑意義的奈米鍍膜(mo)技術
隨著奈米(mi)(mi)技術的(de)(de)發展(zhan)及涂(tu)鍍(du)(du)技術的(de)(de)進步，應用在刀(dao)具的(de)(de)奈米(mi)(mi)鍍(du)(du)膜材(cai)料(liao)亦(yi)引(yin)起(qi)廣大研究者的(de)(de)關注。奈米(mi)(mi)鍍(du)(du)膜主要(yao)有(you)兩種(zhong)：奈米(mi)(mi)多層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)及奈米(mi)(mi)復(fu)合結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，刀(dao)具中最為常見的(de)(de)應用是奈米(mi)(mi)多層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)鍍(du)(du)膜，一(yi)般是由晶格(ge)常數相近的(de)(de)各(ge)單層(ceng)硬質膜材(cai)料(liao)交(jiao)疊組成，可能得到與組成此一(yi)多層(ceng)結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)的(de)(de)各(ge)單層(ceng)膜層(ceng)的(de)(de)效(xiao)能差異顯著的(de)(de)全新鍍(du)(du)膜。這是一(yi)種(zhong)人為可控(kong)的(de)(de)一(yi)維周期結(jie)(jie)(jie)構(gou)(gou)，交(jiao)替沉積單層(ceng)涂(tu)層(ceng)不(bu)超過(guo)5～15nm。
