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行業(yè)專業(yè)知識
PVD鍍膜技術(shù)在切削刀具應(yīng)用之最新發(fā)展趨勢
發(fā)布時間:2021-09-30 瀏覽次數(shù):2453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,今后隨著各行各業(yè)對用材要求的不斷提高,更多的新材料會出現(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)良的整體機械性能,從而大幅度提高機械加工效率。因此,工業(yè)先進(jìn)國家使用的覆膜刀具在切削刀具中占的比例越來越大,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),針對不同的切削加工應(yīng)用條件,可對薄膜成分、結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇,透過適當(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 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)備采用了開放式工作模式,可針對不同的客戶隨時開發(fā)更適合的鍍膜技術(shù)。


(二)高速及干式切削之鍍膜技術(shù)的開發(fā)

在高速加工或干式切削過程中,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)的開發(fā)重點。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,如何在生產(chǎn)過程中完成這種鍍膜,尤其當(dāng)Al含量超過65%時,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)展來看,各鍍膜業(yè)者已透過其他的薄膜技術(shù)解決了高速、高溫切削加工問題,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,無論哪一個采用陰極電弧離子鍍技術(shù)的公司,都試圖透過硬件的開發(fā)及制程的調(diào)整來改善膜層的組織結(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)相對應(yīng)的是CVD技術(shù),該項技術(shù)結(jié)合強度高、膜層厚,并且可以涂鍍α-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),開發(fā)出Al2O3鍍膜技術(shù),實現(xiàn)厚膜鍍層,將PVD涂層技術(shù)擴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)新時代的到來。


(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5~15nm。
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