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工模具PVD涂层技术
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1. 真空涂层技术的发展

真空涂层技术起步时间不长,国际上在上世纪六十年代才出现将CVD(化学气相沉积)技术应用于硬质合金刀具上。由于该技术需在高温下进行(工艺温度高于1000℃),涂层种类单一,局限性很大,因此,其发展初期未免差强人意。

到了上世纪七十年代末,开始出现PVD(物理气相沉积)技术,为真空涂层开创了一个充满灿烂前景的新天地,之后在短短的二、三十年间PVD涂层技术得到迅猛发展,究其原因,是因为其在真空密封的腔体内成膜,几乎无任何环境污染问题,有利于环保;因为其能得到光亮、华贵的表面,在颜色上,成熟的有七彩色、银色、透明色、金黄色、黑色、以及由金黄色到黑色之间的任何一种颜色,可谓五彩缤纷,能够满足装饰性的各种需要;又由于PVD技术,可以轻松得到其他方法难以获得的高硬度、高耐磨性的陶瓷涂层、复合涂层,应用在工装、模具上面,可以使寿命成倍提高,较好地实现了低成本、高收益的效果;此外,PVD涂层技术具有低温、高能两个特点,几乎可以在任何基材上成膜,因此,应用范围十分广阔,其发展神速也就不足为奇。真空涂层技术发展到了今天还出现了PCVD(物理化学气相沉积)、MT-CVD(中温化学气相沉积)等新技术,各种涂层设备、各种涂层工艺层出不穷,如今在这一领域中,已呈现出百花齐放,百家争鸣的喜人景象。

与此同时,我们还应该清醒地看到,真空涂层技术的发展又是严重不平衡的。由于刀具、模具的工作环境极其恶劣,对薄膜附着力的要求,远高于装饰涂层。因而,尽管装饰涂层的厂家已遍布各地,但能够生产工模涂层的厂家并不多。再加上刀具、模具涂层售后服务的欠缺,到目前为止,国内大多数涂层设备厂家都不能提供完整的刀具涂层工艺技术(包括前处理工艺、涂层工艺、涂后处理工艺、检测技术、涂层刀具和模具的应用技术等),而且,它还要求工艺技术人员,除了精通涂层的专业知识以外,还应具有扎实的金属材料与热处理知识、工模涂层前表面预处理知识、刀具、模具涂层的合理选择以及上机使用的技术要求等,如果任一环节出现问题,都会给使用者产生使用效果不理想这样的结论。所有这些,都严重制约了该技术在刀具、模具上的应用。

另一方面,由于该技术是一门介乎材料学、物理学、电子、化学等学科的新兴边缘学科,而国内将其应用于刀具、模具生产领域内的为数不多的几个骨干厂家,大多走的也是一条从国外引进先进设备和工艺技术的路子,尚需一个消化、吸收的过程,因此,国内目前在该领域内的技术力量与其发展很不相称,急需奋起直追。

2. PVD涂层的基本概念及其特点

PVD是英文“Physical Vapor Deposition”的缩写形式,意思 是物理气相沉积。我们现在一般地把真空蒸镀、溅射镀膜、离子镀等都称为物理气相沉积。

较为成熟的PVD方法主要有多弧镀与磁控溅射镀两种方式。多弧镀设备结构简单,容易操作。它的离子蒸发源靠电焊机电源供电即可工作,其引弧的过程也与电焊类似,具体地说,在一定工艺气压下,引弧针与蒸发离子源短暂接触,断开,使气体放电。由于多弧镀的成因主要是借助于不断移动的弧斑,在蒸发源表面上连续形成熔池,使金属蒸发后,沉积在基体上而得到薄膜层的,与磁控溅射相比,它不但有靶材利用率高,更具有金属离子离化率高,薄膜与基体之间结合力强的优点。此外,多弧镀涂层颜色较为稳定,尤其是在做TiN涂层时,每一批次均容易得到相同稳定的金黄色,令磁控溅射法望尘莫及。多弧镀的不足之处是,在用传统的DC电源做低温涂层条件下,当涂层厚度达到0.3μm时,沉积率与反射率接近,成膜变得非常困难。而且,薄膜表面开始变朦。多弧镀另一个不足之处是,由于金属是熔后蒸发,因此沉积颗粒较大,致密度低,耐磨性比磁控溅射法成膜差。

可见,多弧镀膜与磁控溅射法镀膜各有优劣,为了尽可能 地发挥它们各自的优越性,实现互补,将多弧技术与磁控技术合而为一的涂层机应运而生。在工艺上出现了多弧镀打底,然后利用磁控溅射法增厚涂层,最后再利用多弧镀达到 最终稳定的表面涂层颜色的新方法。

大约在八十年代中后期,出现了热阴极电子枪蒸发离子镀、热阴极弧磁控等离子镀膜机,应用效果很好,使TiN 涂层刀具很快得到普及性应用。其中热阴极电子枪蒸发离子镀,利用铜坩埚加热融化被镀金属材料,利用钽灯丝给工件加热、除气,利用电子枪增强离化率,不但可以得到厚度3~5μm的TiN 涂层,而且其结合力、耐磨性均有不俗表现,甚至用打磨的方法都难以除去。但是这些设备都只适合于TiN涂层,或纯金属薄膜。对于多元涂层或复合涂层,则力不从心,难以适应高硬度材料高速切 削以及模具应用多样性的要求。

目前,一些发达国家(如德国CemeCon、英国ART-TEER、瑞士Platit)在传统的磁控溅射原理基础上,用非平衡磁场代替原先的平衡磁场、50KHz 的中频电源代替原来的直流电源、脉冲电源取代以往的直流偏压,采用辅助阳极技术等,使磁控溅射技术逐步成熟,已大批量应用在工模涂层上,现在已稳定生产的涂层主要有 TiAlN、AlTiN、TiB2、DLC、CrN,我国广东、江苏、贵州、株洲等地也已陆续引进此种设备,大有星火燎原之势。

3. 现代涂层设备(均匀加热技术、温度测量技术、非平衡磁控溅 射技术、辅助阳极技术、中频电源、脉冲技术) 现代涂层设备主要由真空室、真空获得部分、真空测量部分、电源供给部分、工艺气体输入系统、机械传动部分、加热及测温部件、离子蒸发或溅射源、水冷系统等部分组成。

3.1 真空室

涂层设备主要有连续涂层生产线及单室涂层机两种形式,由于工模涂层对加热及机械传动部分有较高要求,而且工模形状、尺寸千差万别,连续涂层生产线通常难以满足要求,须采用单室涂层机。

3.2 真空获得部分

在真空技术中,真空获得部分是重要组成部分。由于工模件涂层高附着力的要求,其涂层工艺开始前背景真空度最好高于6mPa,涂层工艺结束后真空度甚至可达0.06mPa以上,因此合 理选择真空获得设备,实现高真空度至关重要。

就目前来说,还没有一种泵能从大气压一直工作到接近超高真空。因此,真空的获得不是一种真空设备和方法所能达到的,必须将几种泵联合使用,如机械泵、分子泵系统等。

3.3 真空测量部分

真空系统的真空测量部分,就是要对真空室内的压强进行测量。像真空泵一样,没有一种真空计能测量整个真空范围,人们于是按不同的原理和要求制成了许多种类的真空计。

3.4 电源供给部分

靶电源主要有直流电源(如MDX)、中频电源(如美国AE公司生产的PE、PEII、PINACAL);工件本身通常需加直流电源(如MDX)、脉冲电源(如美国AE公司生产的PINACAL+)、或射频电源(RF)。

3.5 工艺气体输入系统

工艺气体,如氩气(Ar)、氪气(Kr)、氮气(N2)、乙炔(C2H2)、甲烷(CH4)、氢气(H2)、氧气(O2)等,一般均由气瓶供应,经气体减压阀、气体截止阀、管路、气体流量计、电磁阀、压电阀,然后通入真空室。这种气体输入系统的优点是,管路简捷、明快,维修或更换气瓶容易。各涂层机之间互不影响。也有多台涂层机共用一组气瓶的情况,这种情况在一些规模较大的涂层车间可能有机会看到。它的好处是,减少气瓶占用量,统一规划、统一布局。缺点是,由于接头增多,使漏气机会增加。而且,各涂层机之间会互相干扰,一台涂层机的管路漏气,有可能会影响到其他涂层机的产品质量。此外,更换气瓶时,必须保证所有主机都处于非用气状态。

3.6 机械传动部分

刀具涂层要求周边必须厚度均匀一致,因此,在涂层过程中须有三个转动量才能满足要求。即在要求大工件台转动(I)的同时,小的工件承载台也转动(II),并且工件本身还能同时自转(III)。

在机械设计上,一般是在大工件转盘底部中央为一大的主动齿轮,周围是一些小的星行轮与之啮合,再用拨叉拨动工件自转。当然,在做模具涂层时,一般有两个转动量就足够了,但是齿轮可承载量必须大大增强。

3.7 加热及测温部分

做工模涂层的时候,如何保证被镀工件均匀加热比装饰涂层加热要重要得多。工模涂层设备一般均有前后两个加热器,用热电偶测控温度。但是,由于热电偶装夹的为置不同,因而,温度读数不可能是工件的真实温度。要想测得工件的真实温度,有很多方法,这里介绍一种简便易行的表面温度计法 (Surface Thermomeer)。该温度计的工作原理是,当温度计受热,底部的弹簧将受热膨胀,使指针推动定位指针旋转,直到最高温度。降温的时候,弹簧收缩,指针反向旋转,但定位指针维持在最高温度位置不动,开门后,读取定位指针指示的温度,即为真空室内加热时,表面温度计放置位置所曾达到的最高温度值。

3.8 离子蒸发及溅射源

多弧镀的蒸发源一般为圆饼形,俗称圆饼靶,近几年也出现了长方形的多弧靶,但未见有明显效果。圆饼靶装在铜靶座(阴极座)上面,两者为罗纹连接。靶座中装有磁铁,通过前后移动磁铁,改变磁场强度,可调整弧斑移动速度及轨迹。为了降低靶及靶座的温度,要给靶座不断通入冷却水。为了保证靶与靶座之间的高导电、导热性,还可以在靶与靶座之间加锡(Sn)垫片。

3.9 水冷系统

因为工模涂层时,为了提高金属原子的离化率,各个阴极靶座都尽可能地采用大的功率输出,需要充分冷却;而且,工模涂层中的许多种涂层,加热温度为400~500℃,因此,对真空室壁、对各个密封面的冷却也很重要,所以冷却水最好采用18~20℃左右的冷水机供水。

为了防止开门后,低温的真空室壁、阴极靶与热的空气接触析出水珠,在开门前10分钟左右,水冷系统应有能力切换到供热水状态,热水温度约为40~45℃。

4. 工模具PVD 的工作步骤

工模具 PVD 基本工艺流程可简述为:IQC→前处理→PVD→FQC,分别介绍如后。

4.1 IQC

IQC(In Quality Control)的主要工作除了常规的清点数量 ,检查图纸与实物是否相符外,还须仔细检查工件表面,特别是刃口部位有无裂纹等缺陷。有时对于一些刀具、刀粒的刃口,在体式显微镜下观察,更方便发现问题;另外,IQC 的人员还要注意检查待镀膜件有无塑胶、低熔点的焊料等,这些东西如果因漏检而混入镀膜程序,则将在真空室内严重放气,轻者造成整批产品脱涂层,重者使原本 OK 的产品报废,后果不堪设想。

4.2 前处理工艺(蒸汽枪、喷砂、抛光、清洗)

前处理的目的是净化或粗化工件表面。 净化就是要去除各种表面玷污物,制备洁净表面。通常使用各种净化剂,借助机械、物理或化学的方法进行净化。

粗化与光蚀相反,其目的在于制备粗糙的表面以提高喷涂 层或涂料装饰的结构强度。

我们现在已有的前处理主要方法为:高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等方法。

4.2.1 高温蒸洗

目前,PVD 车间常用的高温蒸洗设备是蒸汽枪。它的最大工作温度可达145℃,气压在3~5巴左右。由于模具中经常带有一些细小孔、螺纹孔,孔内中常常有油污、残余冷却液等杂质,用常规清洗的方法难以除去。此时,高温蒸洗设备便可最大程度的发挥它的优越性。

4.2.2 清洗

各厂工模涂层前清洗程序大致如下:

①超声波除蜡→②过水→③超声波除油→④过水→⑤超声波自换→⑥过水→⑦过纯水→⑧强风干燥

具体实施时,与我们所熟悉的装饰涂层前的清洗又有许多不同。这是因为装饰涂层的底材大多为不锈钢或钛合金,不容易生锈。此外,装饰涂层对水印、点痣等缺陷是绝对不允许的。因此,装饰涂层对纯水的水质要求极高,甚至要达到15MΩ 以上。要保证清洗的高质量,可以通过反复清洗,并在高质量的纯水加超声波中长时间浸泡来得到。但是,工模的清洗就不同,尤其是一些热做模具钢,如果像装饰涂层那样去清洗,就会锈得一塌糊涂。

由于工模涂层的原始表面状态,除了一些高标准的镜面模具以外,一般较装饰涂层要粗糙,因而,对涂层后的表面状态的要求也不象装饰涂层那样高,这就允许我们采取快速过水,用干燥、无油的压缩空气吹干,然后对工模强风干燥的方法来处理。而那些高标准的镜面模具,一般均为136 等不锈钢,可以借用装饰涂层的清洗法。

总而言之,工模涂层前的清洗方法因工模所使用的材料的不同而不同,因工模涂层前的表面状态的不同而不同,且不可千篇一律。下面是几种材料生锈由难到易的排序,供参考:
不锈钢、硬质合金、金属陶瓷合金、DC53、高速钢、8407有一种自动清洗机型号为CR288,产自德国。该机一次最大清洗量为80KG,主要用于清洗刀具、小型零部件、或小尺寸的模具。它共有三个清洗缸,里面的溶液分别为自来水+清洗剂、自来水、去离子水。除了常见的超声波、大水冲洗、喷淋、摆动、热风干燥等功能外,该机另外一个优点是最后设有抽真空步骤,可以使水分尽快挥发掉。

自动清洗机内存十种工艺,均由供方预先设定。一至九可分别用于不同类型的产品、不同的表面状态的净化处理。第十种用于加注清洗剂。

4.2.3 喷砂

喷砂法是借助压缩空气使磨料强力冲刷工件表面,从而去除锈蚀、积碳、焊渣、氧化皮、残盐、旧漆层等表面缺陷。按磨料使用条件,喷砂分为干喷砂与湿喷砂两类。

喷砂的工艺参数主要有枪距、倾角、装夹台旋转速度、移动速度、行程、往返次数、喷砂时间、喷砂气压。我们已使用过的参数有枪距:30~70mm; 倾角30~70°; 装夹台旋转速度10~30;往返次数3~9次;喷砂气压:1.8~3.5巴等。具体操作时,根据工件表面脏污程度,工件硬度,工件表面几何形状等因素,选取上下限。我们在干喷砂机中所选用的磨料为玻璃珠,适合喷一些硬度介中的材料,如油钢、模具等;在液体喷砂机中所选用的磨料为氧化铝,硬度较高,适合喷一些硬度高的材料,如硬质合金材料。对于工模涂层而言,喷砂所使用的磨料粒度也很重要。如果磨料粒度过大,则工件表面太粗糙;如果磨料粒度太小,又会降低打击力度,甚至嵌在工件表面,清洗难以去除,从而使工件涂层附着力降低。为此,欧洲一些国家,对工模涂层前喷砂所用磨料粒度做过仔细研究,严格到必须保证85%以上的晶粒度在中A、B两点范围内才能使用。相比之下,我国磨料的供应商还缺乏这方面的共识,我们也很少有做这方面的检验。

4.3 PVD 涂层工艺(加热、离子清洗、涂层、冷却、工艺气体、气压、温度、溅射功率)

4.4 FQC

FQC 的英文全拼为:“Function Quality Control”,意思是功能质量控制 , 它有别与一般意义上的OQC(Out Quality Control) 。FQC 的内容主要包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性测试等方法。我厂目前应用的主 要有外观检查、层深检查和附着力检查。

由于我们所接触的产品大多都是不允许做破坏性检查的,因而我们在镀膜时,每批都会放进随批试样。做层深检查和附着力检查的时候,大多数情况下,实际上是对随批试样进行检查。因为试样与产品在原材料、热处理状态、装夹位置等方面都难于一致,所以这样检测出的结果,与产品实际值会有一定的误差。有时可能还会有相当大的误差,只能做参考使用。当然,必要的时候,我们也可以通过制作模拟件,达到准确测量的目的。

4.4.1 外观检查

对于开门取件后的产品,应仔细检查表面有无裂纹、掉涂层、疏松等缺陷。对于刀具、刀粒,还需在显微镜下仔细检查它们的刃口状态。

4.4.2 层深检查

层深检查有切片金相观察法、X-ray 检查法、用单色光做光源的光学测试法、球磨仪测试法等多种方法。工模涂层的层深检查是在球磨仪上进行的。方法是先用直径为10mm的钢球与测试表面滚磨,然后在显微镜下测量磨痕的有关数据,带入公式中,即可方便算出层深。

这种层深检查法的特点是:方便适用,误差稍大。但这种误 差应用于工模上面影响不会太大。有兴趣的同事还可参阅有关的说明书。

附着力的检查方法有很多,各个厂根据自己产品的特点,都制定了相应的检测方法。其中,比较权威的方法有两种,一种是在洛氏硬度计上,以圆锥型金刚石压头做压痕试验,在显微镜下观察,以压痕周边裂纹的多少来判断涂层附着力的高低。该方法对金刚石压头的形状要求很高,不但严格要求中心点在圆的中心,而且金刚石圆锥的圆度必须十分规则。遗憾的是,目前,我国还没有它的国家或行业标准;另一种方法是划痕法,我国有些涂层发起较早的科研部门,也是采用的该方法,有专门的国家行业标准可供查询。

5. 工装夹具的处理

6. 涂后处理工艺(喷砂、涂脂技术)

7. 检测技术(结合力的检测、层深的检测、酸蚀)

8. 涂层剥离技术(TiN/TiAlN 的剥离技术、CrN/DLC/CrAlTiN 的剥离技术、硬质合金的表面涂层剥离技术)
9.涂层刀具的应用技术(涂层的正确选择、涂层刀具的正确使用)

涂层对刀具的优化非常大,由于高速切削加工比传统切削加工所产生的温度要高,应用涂层,可以发挥其耐高温、抗氧化及加硬材质等作用。例如,氮化铬(CrN)涂层可降低磨擦系数,改善光洁度及排屑情况。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2009)
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