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              1. 企業動態

              分享工具類涂層發展趨勢

              時間:

              1.工具涂層技術發展歷程
               
              真空涂層技術起步時間不長,國際上在上世紀六十年代才出現將CVD(化學氣相沉積)技術應用于硬質合金刀具上。由于該技術需在高溫下進行(工藝溫度高于 1000?C),涂層種類單一,局限性很大,因此,其發展初期未免差強人意。
               
              到了上世紀七十年代末,開始出現 PVD(物理氣相沉積) 技術,為真空涂層開創了新天地,之后在短短的二、三十年間PVD 涂層技術得到迅猛發展。究其原因,是因為其在真空密封的腔體內成膜,幾乎無任何環境污染問題,有利于環保;因為其能得到光亮、華貴的表面,在顏色上,成熟的有七彩色、銀色、透明色、金黃色、黑色、以及由金黃色到黑色之間的任何一種顏色,可謂五彩繽紛,能夠滿足裝飾性的各種需要;又由于 PVD 技術,可以輕松得到其他方法難以獲得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂層、復合涂層,應用在工裝、模具上面,可以使壽命成倍提高,較好地實現了低成本、高收益的效果。
               
              此外, PVD 涂層技術具有低溫、高能兩個特點,幾乎可以在任何基材上成膜,因此,應用范圍十分廣闊,其發展神速也就不足為奇。真空涂層技術發展到了今天還出現了PCVD(物理化學氣相沉積)、MT-CVD(中溫化學氣相沉積)等新技術,各種涂層設備、各種涂層工藝層出不窮,如今在這一領域中,已呈現出百花齊放,百家爭鳴的喜人景象。
               
              與此同時,我們還應該清醒地看到,真空涂層技術的發展又是嚴重不平衡的。由于刀具、模具的工作環境極其惡劣,對薄膜附著力的要求,遠高于裝飾涂層。因而,盡管裝飾涂層的廠家已遍布各地,但能夠生產工模涂層的廠家并不多。
               
              再加上刀具、模具涂層售后服務的欠缺,到目前為止,國內大多數涂層設備廠家都不能提供完整的刀具涂層工藝技術(包括前處理工藝、涂層工藝、涂后處理工藝、檢測技術、涂層刀具和模具的應用技術等),而且,它還要求工藝技術人員,除了精通涂層的專業知識以外,還應具有扎實的金屬材料與熱處理知識、工模涂層前表面預處理知識、刀具、模具涂層的合理選擇以及上機使用的技術要求等,如果任一環節出現問題,都會給使用者產生使用效果不理想這樣的結論。
               
              這些都嚴重制約了該技術在刀具、模具上的應用。另一方面,由于該技術是一門介于材料學、物理學、電子、化學等學科的新興邊緣學科,而國內將其應用于刀具、模具生產領域內的為數不多的幾個骨干廠家,大多走的也是一條從國外引進先進設備和工藝技術的路子,尚需一個消化、吸收的過程,因此,國內目前在該領域內的技術力量與其發展很不相稱,急需奮起直追。
               
              2.工具涂層發展狀況
               
              PVD是英文“Physical Vapor Deposition”的縮寫形式,意思是物理氣相沉積。我們現在一般地把真空蒸鍍、濺射鍍膜、離子鍍等都稱為物理氣相沉積。較為成熟的 PVD 方法主要有多弧鍍與磁控濺射鍍兩種方式。多弧鍍設備結構簡單,容易操作。它的離子蒸發源靠電焊機電源供電即可工作,其引弧的過程也與電焊類似,具體地說,在一定工藝氣壓下,引弧針與蒸發離子源短暫接觸,斷開,使氣體放電。由于多弧鍍的成因主要是借助于不斷移動的弧斑,在蒸發源表面上連續形成熔池,使金屬蒸發后,沉積在基體上而得到薄膜層的,與磁控濺射相比,它不但有靶材利用率高,更具有金屬離子離化率高,薄膜與基體之間結合力強的優點。此外,多弧鍍涂層顏色較為穩定,尤其是在做 TiN 涂層時,每一批次均容易得到相同穩定的金黃色,令磁控濺射法望塵莫及。多弧鍍的不足之處是,在用傳統的 DC 電源做低溫涂層條件下,當涂層厚度達到0.3μm 時,沉積率與反射率接近,成膜變得非常困難。而且,薄膜表面開始變朦。多弧鍍另一個不足之處是,由于金屬是熔后蒸發,因此沉積顆粒較大,致密度低,耐磨性比磁控濺射法成膜差??梢?,多弧鍍膜與磁控濺射法鍍膜各有優劣,為了盡可能地發揮它們各自的優越性,實現互補,將多弧技術與磁控技術合而為一的涂層機應運而生。在工藝上出現了多弧鍍打底,然后利用磁控濺射法增厚涂層,最后再利用多弧鍍達到最終穩定的表面涂層顏色的新方法。大約在八十年代中后期,出現了熱陰極電子槍蒸發離子鍍、熱陰極弧磁控等離子鍍膜機,應用效果很好,使TiN 涂層刀具很快得到普及性應用。其中熱陰極電子槍蒸發離子鍍,利用銅坩堝加熱融化被鍍金屬材料,利用鉭燈絲給工件加熱、除氣,利用電子槍增強離化率,不但可以得到厚度 3~5μm的TiN 涂層,而且其結合力、耐磨性均有不俗表現,甚至用打磨的方法都難以除去。但是這些設備都只適合于 TiN涂層,或純金屬薄膜。對于多元涂層或復合涂層,則力不從心,難以適應高硬度材料高速切削以及模具應用多樣性的要求。目前,一些發達國家(如德國 CemeCon、英國 ART-TEER )在傳統的磁控濺射原理基礎上,用非平衡磁場代替原先的平衡磁場、50KHz 的中頻電源代替原來的直流電源、脈沖電源取代以往的直流偏壓,采用輔助陽極技術等,使磁控濺射技術逐步成熟,已大批量應用在工模涂層上,現在已穩定生產的涂層主要有 TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN等等,我國廣東、江蘇、貴州、株洲等地也已陸續引進此種設備,大有星火燎原之勢。
               
              3.工具涂層設備基本構件
               
              現代涂層設備(均勻加熱技術、溫度測量技術、非平衡磁控濺射技術、輔助陽極技術、中頻電源、脈沖技術) 現代涂層設備主要由真空室、真空獲得部分、真空測量部分、電源供給部分、工藝氣體輸入系統、機械傳動部分、加熱及測溫部件、離子蒸發或濺射源、水冷系統等部分組成。
               
              1 )真空室
               
              涂層設備主要有連續涂層生產線及單室涂層機兩種形式,由于工模涂層對加熱及機械傳動部分有較高要求,而且工模形狀、尺寸千差萬別,連續涂層生產線通常難以滿足要求,須采用單室涂層機。
               
              2 )真空獲得部分
               
              在真空技術中,真空獲得部分是重要組成部分。由于工模件涂層高附著力的要求,其涂層工藝要求良好的本底真空,合理選擇真空獲得設備,實現高真空度至關重要。就目前來說,還沒有一種泵能從大氣壓一直工作到接近超高真空。因此,真空的獲得不是一種真空設備和方法所能達到的,必須將幾種泵聯合使用,如機械泵、分子泵系統等。
               
              3 )真空測量部分
               
              真空系統的真空測量部分,就是要對真空室內的壓強進行測量。像真空泵一樣,沒有一種真空計能測量整個真空范圍,人們于是按不同的原理和要求制成了許多種類的真空計。
               
              4) 電源供給部分
               
              靶電源主要有直流電源(如 MDX)、中頻電源(如美國 AE公司的 PE、PEII、PINACAL);工件本身通常需加直流電源(如 MDX)、脈沖電源(如美國AE公司生產的 PINACAL+)、或射頻電源(RF)。
               
              5 )工藝氣體輸入系統
               
              工藝氣體,如氬氣(Ar)、氪氣(Kr)、氮氣(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氫氣(H2)、氧氣(O2)等,一般均由氣瓶供應,經氣體減壓閥、氣體截止閥、管路、氣體流量計、電磁閥、壓電閥,然后通入真空室。這種氣體輸入系統的優點是,管路簡捷、明快,維修或更換氣瓶容易。各涂層機之間互不影響。也有多臺涂層機共用一組氣瓶的情況,這種情況在一些規模較大的涂層車間可能有機會看到。它的好處是,減少氣瓶占用量,統一規劃、統一布局。缺點是,由于接頭增多,使漏氣機會增加。而且,各涂層機之間會互相干擾,一臺涂層機的管路漏氣,有可能會影響到其他涂層機的產品質量。此外,更換氣瓶時,必須保證所有主機都處于非用氣狀態。
               
              6 )機械傳動部分
               
              刀具涂層要求周邊必須厚度均勻一致,因此,在涂層過程中須有三個轉動量才能滿足要求。即在要求大工件臺轉動(I)的同時,小的工件承載臺也轉動( II),并且工件本身還能同時自轉(III)。在機械設計上,一般是在大工件轉盤底部中央為一大的主動齒輪,周圍是一些小的星行輪與之嚙合,再用撥叉撥動工件自轉。當然,在做模具涂層時,一般有兩個轉動量就足夠了,但是齒輪可承載量必須大大增強。
               
              7 )加熱及測溫部分
               
              做工模涂層的時候,如何保證被鍍工件均勻加熱比裝飾涂層加熱要重要得多。工模涂層設備一般均有前后兩個加熱器,用熱電偶測控溫度。但是,由于熱電偶裝夾的為置不同,因而,溫度讀數不可能是工件的真實溫度。要想測得工件的真實溫度,有很多方法,這里介紹一種簡便易行的表面溫度法 (Surface Thermomeer)。該溫度計的工作原理是,當溫度計受熱,底部的彈簧將受熱膨脹,使指針推動定位指針旋轉,直到最高溫度。降溫的時候,彈簧收縮,指針反向旋轉,但定位指針維持在最高溫度位置不動,開門后,讀取定位指針指示的溫度,即為真空室內加熱時,表面溫度計放置位置所曾達到的最高溫度值。
               
              8 )離子蒸發及濺射源
               
              多弧鍍的蒸發源一般為圓餅形,俗稱圓餅靶,近幾年也出現了長方形的多弧靶,但未見有明顯效果。圓餅靶裝在銅靶座(陰極座)上面,兩者為螺紋連接。靶座中裝有磁鐵,通過前后移動磁鐵,改變磁場強度,可調整弧斑移動速度及軌跡。為了降低靶及靶座的溫度,要給靶座不斷通入冷卻水。為了保證靶與靶座之間的高導電、導熱性,還可以在靶與靶座之間加錫(Sn)墊片。磁控濺射鍍膜一般采用長方形或圓柱形靶材,
               
              9 )水冷系統
               
              因為工模涂層時,為了提高金屬原子的離化率,各個陰極靶座都盡可能地采用大的功率輸出,需要充分冷卻;而且,工模涂層中的許多種涂層,加熱溫度為 400~500?C,因此,對真空室壁、對各個密封面的冷卻也很重要,所以冷卻水最好采用18~20?C 左右的冷水機供水。為了防止開門后,低溫的真空室壁、陰極靶與熱的空氣接觸析出水珠,在開門前 10 分鐘左右,水冷系統應有能力切換到供熱水狀態,熱水溫度約為 40~45?C。
               
              4.工具涂層技術發展趨勢
               
              1)涂層成分將趨于多元化、復合化
               
              第一代PVD涂層主要以TiN為主,在此基礎上,又發展了TiC、 TiCN、ZrN、CrN、WC等多種單一金屬涂層。伴隨PVD沉積技術的進一步發展,鋁元素技加人涂層中,含鋁的多元金屬合金涂層如TiAIN、TiAICN等相繼問世,其耐磨性及紅硬性比單一金屬涂層提高了很多,可以用于較高的切削速度,如滾切,可達到150m/min。后來,人們考慮將多種不同種類涂層分層沉積到刀具上以發揮不同涂層的優勢又成為一種趨勢,如TiN+TiCN+TiN,TiN+TiALN,TiAIN+WC/C等。近年來, PVD涂層技術又向前邁進了一步,國外多家涂層公司已開發出了脈沖涂層技術并開始應用,如瑞士Balzers公司的P3E(Pulse Enhanced Electron Emission脈沖增強電子發射)技術,德國Cemecon公司的H.I.P_(High Ion Pulse,高能粒子脈沖)技術。這兩種新技術都是利用脈沖電子激活電弧蒸發靶材,由于該工藝可在氧氣氛圍中運行,所以, 理論上講,用這種工藝幾乎可以沉積任何金屬氧化物(如A12O3,ZrO2,Cr2O3,Ta2O5等)及其化合物涂層。目前,Al2O3涂層已進人實用試驗階段,相信在不久的將來就會廣泛應用。
               
              2)涂層的應用開發更具針對性
               
              為滿足不同的應用要求,涂層的開發設計越來越具有針對性。針對不同的應用領域如鉆削、銑削、干式滾切、沖壓、拉深等的特點和特性要求,開發在這方面具有相對優勢的涂層。經過不斷努力和嘗試,在某些領域已獲得了成功,如高鋁含量約TiX(Al:Ti一2:1)涂層應用在銑削上,不含Ti的涂層AICrN應用高速干式滾切上,復合涂層CrN+TISIN應用在鉆削上,復合涂層TIN+TCX應用在深拉模具上,壽命都明顯優于其他涂層。另外如針對抗腐蝕(Crx涂層)、“自潤滑(WC/C涂層)、軟材料加工(MoS2涂層)、高硬材料加工(CBN、Dimond涂層)的各種有針對性的涂層等都早已獲得了廣泛應用。雖然這些涂層在各自領域應用非常成功,但隨著PVD涂層技術的不斷發展,新的更具針對性的涂層也會繼續不斷地開發以替代這些現有涂層。
               
              3)涂層的沉積顆粒趨于納米化
               
              隨著納米技術的發展和涂層技術的進步,納米刀具涂層也引起了廣大研究者和PVD涂層服務公司的關注。涂層沉積顆粒的納米化,可以增強涂層與基體以及各層間的結合強度,同時可以降低涂層表面粗糙度。目前,大多數涂層的沉積顆粒仍然較大,雖然有稱為納米級的涂層,但在涂層的最后表面上仍然可以發現較大的顆粒,涂層表面仍然較粗糙。減小涂層沉積顆粒的大小并保持工藝穩定以避免較大異常顆粒的出現,將成為涂層發展的又一個方向,尤其是在鏡面上的應用、雖然有限公司已經開發出鏡面涂層,但質量和穩定性較差,另外,工藝也較 復雜。在未來的涂層研發中,涂層顆粒的納米化以及涂層層間厚度的納米化將是 主要發展方向這對于提高涂層的綜合性能,降低層間應力具有重要的意義,同時會提高鏡面的光潔度進一步擴展涂層在精密成型行業的廣泛應用。
               
              4)涂層的工藝溫度越來越低
               
              從一般CVD涂層1000℃左右的沉積溫度到PVD和PECVD涂層500℃左右的沉積溫度,涂層的沉積溫度已降低了,因此,涂層的應用范圍也擴大了,但是,500℃左右的沉積溫度仍然會對涂層工件產生不良影響,如變形、基體硬度降低等。因此,需要對涂層工件的前期熱處理提出特殊要求,如工件的回火溫度不得低于涂層溫度。更低溫度的涂層,如涂層溫度在200℃以下,將消除這些限制, 使得可用于涂層的材料種類更多,前期熱處理的選擇更加靈活,不同的表面改性技術的綜合應用將更加可行。同時,低溫涂層的應用,也會降低涂層設備的能耗,在節約能源方面具有一定的環保作用。另外,涂層溫度的降低,使得加熱和冷卻時間減少也會縮短涂層的交貨周期,效率更高,所以,低溫涂層將會極大地促進涂層的應用、普及,必將成為PVD涂層發展的,一個重要方向。

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