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PVD涂層

PVD鍍膜技術(shù)在切削刀具應(yīng)用之最新發(fā)展趨勢(shì)

發(fā)布時(shí)間：2021-09-30　瀏覽次數(shù)：2739次

一、在各種被加工材料中，沃斯田不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復(fù)合材料和耐磨鑄鐵等材料加工難度很高，但隨著產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，這些材料的用量不斷增加。同時(shí)，今后隨著各行各業(yè)對(duì)用材要求的不斷提高，更多的新材料會(huì)出現(xiàn)，如在航天工業(yè)領(lǐng)域，鈦合金、鎳基合金以及超耐熱合金、陶瓷等難加工材料，每一種新型材料都對(duì)切削加工提出了新的挑戰(zhàn)。

覆膜刀具的出現(xiàn)是刀具材料發(fā)展中的一次革命，采用鍍膜技術(shù)可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優(yōu)良的整體機(jī)械性能，從而大幅度提高機(jī)械加工效率。因此，工業(yè)先進(jìn)國(guó)家使用的覆膜刀具在切削刀具中占的比例越來(lái)越大，約達(dá)70%～80%的比重。所示為刀具鍍膜的發(fā)展歷程，從第一代的單一膜層逐漸發(fā)展到多元多層膜層，以滿足不同材料及切削環(huán)境的切削加工。

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二、技術(shù)發(fā)展動(dòng)向

(一)薄膜的多元化及服務(wù)的客制化

進(jìn)入21世紀(jì)的PVD技術(shù)與1990年代相比，已發(fā)生了極大變化，從單一的TiN、TiCN、TiAlN發(fā)展到現(xiàn)在的數(shù)十種鍍膜型態(tài)，針對(duì)不同的切削加工應(yīng)用條件，可對(duì)薄膜成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，透過(guò)適當(dāng)?shù)闹苽浼夹g(shù)，以獲取令人滿意的切削效果。例如在齒輪加工中，除了對(duì) zz覆膜刀具的使用壽命有嚴(yán)格要求外，如何保證齒輪的精度及表面質(zhì)量同樣至關(guān)重要，因此目前普遍采用的是復(fù)合膜層，即硬涂層+軟涂層，當(dāng)然對(duì)于不同的鍍膜廠商而言，達(dá)成此目的的制程方法不盡相同；而在高速銑削加工中，往往只采用硬質(zhì)涂層。此外客制化服務(wù)的概念初步形成，例如Platit公司的鍍膜設(shè)備采用了開(kāi)放式工作模式，可針對(duì)不同的客戶隨時(shí)開(kāi)發(fā)更適合的鍍膜技術(shù)。

(二)高速及干式切削之鍍膜技術(shù)的開(kāi)發(fā)

在高速加工或干式切削過(guò)程中，溫度成為影響刀具使用壽命的主要原因，因此提高薄膜的高溫性能、保證覆膜刀具的紅硬性成為近幾年P(guān)VD技術(shù)的開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。欲改進(jìn)氮鋁鈦膜層，提高薄膜中Al的含量是有效方法之一，因此出現(xiàn)了所謂的AlTiN鍍層(Al含量大于50%)，應(yīng)該說(shuō)隨著Al含量的增加(在一定范圍內(nèi))，薄膜的整體效能有所提升，但仍有一些關(guān)鍵技術(shù)有待解決：比如說(shuō)，如何在生產(chǎn)過(guò)程中完成這種鍍膜，尤其當(dāng)Al含量超過(guò)65%時(shí)，在這種膜層中如何控制AlN的晶體結(jié)構(gòu)等。從最新的發(fā)展來(lái)看，各鍍膜業(yè)者已透過(guò)其他的薄膜技術(shù)解決了高速、高溫切削加工問(wèn)題，如Balzers的AlCrN鍍膜、Platit的(nc-Ti1-xAlxN)/(αSi3N4) 鍍膜、CemeCon的TINALOX鍍膜、Metaplas的AlTiN-saturn鍍膜都具有優(yōu)異的高溫性能，并已成功應(yīng)用于高速、干式切削加工領(lǐng)域。

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(三)膜層組織結(jié)構(gòu)之改善

目前在PVD市場(chǎng)中，陰極電弧離子鍍技術(shù)仍占主導(dǎo)地位，但與先前不同，無(wú)論哪一個(gè)采用陰極電弧離子鍍技術(shù)的公司，都試圖透過(guò)硬件的開(kāi)發(fā)及制程的調(diào)整來(lái)改善膜層的組織結(jié)構(gòu)，避免“液滴”和柱狀晶的產(chǎn)生。尤其是隨著奈米概念的出現(xiàn)，致使陰極電弧薄膜涂層組織獲得根本的改善，采用該技術(shù)得到的膜層表面粗糙度Ra值已小于0.15μm，因此使得陰極電弧涂層的整體效能得以提高，并為市場(chǎng)所接受。

(四)PVD鍍膜領(lǐng)域的新概念

眾所周知，與PVD技術(shù)相對(duì)應(yīng)的是CVD技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)結(jié)合強(qiáng)度高、膜層厚，并且可以涂鍍?chǔ)?Al2O3膜層，因此更適合于中型、重型切削的高速、干式粗加工及半精加工領(lǐng)域。如何利用PVD技術(shù)，開(kāi)發(fā)出Al2O3鍍膜技術(shù)，實(shí)現(xiàn)厚膜鍍層，將PVD涂層技術(shù)擴(kuò)展到粗加工及半精加工領(lǐng)域，這一直是該行業(yè)亟待解決的難題。而CemeCon公司在該領(lǐng)域的研究已取得了突破性的進(jìn)展，也預(yù)示著PVD技術(shù)新時(shí)代的到來(lái)。

(五)具有里程碑意義的奈米鍍膜技術(shù)

隨著奈米技術(shù)的發(fā)展及涂鍍技術(shù)的進(jìn)步，應(yīng)用在刀具的奈米鍍膜材料亦引起廣大研究者的關(guān)注。奈米鍍膜主要有兩種：奈米多層結(jié)構(gòu)及奈米復(fù)合結(jié)構(gòu)，刀具中最為常見(jiàn)的應(yīng)用是奈米多層結(jié)構(gòu)鍍膜，一般是由晶格常數(shù)相近的各單層硬質(zhì)膜材料交疊組成，可能得到與組成此一多層結(jié)構(gòu)的各單層膜層的效能差異顯著的全新鍍膜。這是一種人為可控的一維周期結(jié)構(gòu)，交替沉積單層涂層不超過(guò)5～15nm。

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