PVD镀膜技术在切削刀具应用之最新发展趋势
发布时间：2017-03-01
一、前言
在各种被加工材料中，沃斯田不锈钢、高锰钢、淬硬钢、复合材料和耐磨铸铁等材料加工难度很高，但随著产业的发展，这些材料的用量不断增加。同时，今后随著各行各业对用材要求的不断提高，更多的新材料会出现，如在航太工业领域，钛合金、镍基合金以及超耐热合金、陶瓷等难加工材料，每一种新型材料都对切削加工提出了新的挑战。
覆膜刀具的出现是刀具材料发展中的一次革命，採用镀膜技术可有效提高切削刀具使用寿命，使刀具获得优良的整体机械性能，从而大幅度提高机械加工效率。因此，工业先进国家使用的覆膜刀具在切削刀具中占的比例越来越大，约达70%〜80%的比重。刀具镀膜的发展历程，从第一代的单一膜层逐渐发展到多元多层膜层，以满足不同材料及切削环境的切削加工。
二、技术发展动向
(一)薄膜的多元化及服务的定制化
进入21世纪的PVD技术与1990年代相比，已发生了极大变化，从单一的TiN、TiCN、TiAlN发展到现在的数十种镀膜型态，针对不同的切削加工应用条件，可对薄膜成分、结构进行选择，透过适当的制备技术，以获取令人满意的切削效果。例如在齿轮加工中，除了对覆膜刀具的使用寿命有严格要求外，如何保证齿轮的精度及表面品质同样至关重要，因此目前普遍採用的是复合膜层，即硬涂层+软涂层，当然对于不同的镀膜厂商而言，达成此目的的制程方法不尽相同；而在高速铣削加工中，往往只採用硬质涂层。此外定制化服务的概念初步形成，例如镀膜设备採用了开放式工作模式，可针对不同的客户随时开发更适合的镀膜技术。
(二)高速及干式切削之镀膜技术的开发
在高速加工或干式切削过程中，温度成为影响刀具使用寿命的主要原因，因此提高薄膜的高温性能、保证覆膜刀具的红硬性成为近几年PVD技术的开发重点。欲改进氮铝钛膜层，提高薄膜中Al的含量是有效方法之一，因此出现了所谓的AlTiN镀层(Al含量大于50%)，应该说随著Al含量的增加(在一定范围内)，薄膜的整体效能有所提昇，但仍有一些关键技术有待解决：比如说，如何在生产过程中完成这种镀膜，尤其当Al含量超过65%时，在这种膜层中如何控制AlN的晶体结构等。从最新的发展来看，各镀膜业者已透过其他的薄膜技术解决了高速、高温切削加工问题，很多镀膜膜层都具有优异的高温性能，并已成功应用于高速、干式切削加工领域。
(三)膜层组织结构之改善
目前在PVD市场中，阴极电弧离子镀技术仍占主导地位，但与先前不同，无论哪一个採用阴极电弧离子镀技术的公司，都试图透过硬体的开发及制程的调整来改善膜层的组织结构，避免“液滴”和柱状晶的产生。尤其是随著纳米概念的出现，致使阴极电弧薄膜涂层组织获得根本的改善，採用该技术得到的膜层表面粗糙度Ra值已小于0.15µm，因此使得阴极电弧涂层的整体效能得以提高，并为市场所接受。
(四)PVD镀膜领域的新概念众所周知，与PVD技术相对应的是CVD技术，该项技术结合强度高、膜层厚，并且可以涂镀α-Al2O3膜层，因此更适合于中型、重型切削的高速、干式粗加工及半精加工领域。如何利用PVD技术，开发出Al2O3镀膜技术，实现厚膜镀层，将PVD涂层技术扩展到粗加工及半精加工领域，这一直是该行业亟待解决的难题。而国外公司在该领域的研究已取得了突破性的进展，也预示著PVD技术新时代的到来。
(五)具有里程碑意义的纳米镀膜技术
随著纳米技术的发展及涂镀技术的进步，应用在刀具的纳米镀膜材料亦引起广大研究者的关注。纳米镀膜主要有两种：纳米多层结构及纳米复合结构，刀具中最为常见的应用是纳米多层结构镀膜，一般是由晶格常数相近的各单层硬质膜材料交叠组成，可能得到与组成此一多层结构的各单层膜层的效能差异显著的全新镀膜。这是一种人为可控的一维周期结构，交替沉积单层涂层不超过5〜15nm。
三、结语
单一的表面镀膜处理越来越难以满足高速、精密及超精密切削等先进切削加工技术对高性能刀具的要求，从技术面来说，刀具表面镀膜处理採行复合表面处理技术，可实现成分、结构的梯度过渡区域，获得性能更好的膜层组织，更高介面结合强度。因此膜层成分将趋于多元化、复合化；为满足不同的切削加工要求，涂层成分将更为复杂、更具特定功能性；在复合镀膜中，各单一成分膜层的厚度将越来越薄，并逐步趋于纳米化；另一方面，镀膜制程温度将越来越低。PVD镀膜技术经过30多年的发展，已成为工具制造业的一项关键技术，目前正处在蓬勃发展期。随著材料科学技术的进展，镀膜技术也由单层薄膜发展到多层、渐层、纳米及纳米复合结构薄膜，若于此基础上，进一步减少操作步骤，降低成本，扩大多种多层镀膜在不同刀具上的应用，必将取得更大的技术经济效益。
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