PVD鍍膜技術在切削刀具應用之最新發展趨勢
發布時間：2017-03-01
一、前言
在各種被加工材料中，沃斯田不銹鋼、高錳鋼、淬硬鋼、復合材料和耐磨鑄鐵等材料加工難度很高，但隨著產業的發展，這些材料的用量不斷增加。同時，今后隨著各行各業對用材要求的不斷提高，更多的新材料會出現，如在航太工業領域，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。
覆膜刀具的出現是刀具材料發展中的一次革命，採用鍍膜技術可有效提高切削刀具使用壽命，使刀具獲得優良的整體機械性能，從而大幅度提高機械加工效率。因此，工業先進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70%?80%的比重。刀具鍍膜的發展歷程，從第一代的單一膜層逐漸發展到多元多層膜層，以滿足不同材料及切削環境的切削加工。
二、技術發展動向
(一)薄膜的多元化及服務的定制化
進入21世紀的PVD技術與1990年代相比，已發生了極大變化，從單一的TiN、TiCN、TiAlN發展到現在的數十種鍍膜型態，針對不同的切削加工應用條件，可對薄膜成分、結構進行選擇，透過適當的制備技術，以獲取令人滿意的切削效果。例如在齒輪加工中，除了對覆膜刀具的使用壽命有嚴格要求外，如何保證齒輪的精度及表面品質同樣至關重要，因此目前普遍採用的是復合膜層，即硬涂層+軟涂層，當然對于不同的鍍膜廠商而言，達成此目的的制程方法不盡相同；而在高速銑削加工中，往往只採用硬質涂層。此外定制化服務的概念初步形成，例如鍍膜設備採用了開放式工作模式，可針對不同的客戶隨時開發更適合的鍍膜技術。
(二)高速及干式切削之鍍膜技術的開發
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PVD技術的開發重點。欲改進氮鋁鈦膜層，提高薄膜中Al的含量是有效方法之一，因此出現了所謂的AlTiN鍍層(Al含量大于50%)，應該說隨著Al含量的增加(在一定范圍內)，薄膜的整體效能有所提昇，但仍有一些關鍵技術有待解決：比如說，如何在生產過程中完成這種鍍膜，尤其當Al含量超過65%時，在這種膜層中如何控制AlN的晶體結構等。從最新的發展來看，各鍍膜業者已透過其他的薄膜技術解決了高速、高溫切削加工問題，很多鍍膜膜層都具有優異的高溫性能，并已成功應用于高速、干式切削加工領域。
(三)膜層組織結構之改善
目前在PVD市場中，陰極電弧離子鍍技術仍占主導地位，但與先前不同，無論哪一個採用陰極電弧離子鍍技術的公司，都試圖透過硬體的開發及制程的調整來改善膜層的組織結構，避免“液滴”和柱狀晶的產生。尤其是隨著納米概念的出現，致使陰極電弧薄膜涂層組織獲得根本的改善，採用該技術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鍍膜領域的新概念眾所周知，與PVD技術相對應的是CVD技術，該項技術結合強度高、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域。如何利用PVD技術，開發出Al2O3鍍膜技術，實現厚膜鍍層，將PVD涂層技術擴展到粗加工及半精加工領域，這一直是該行業亟待解決的難題。而國外公司在該領域的研究已取得了突破性的進展，也預示著PVD技術新時代的到來。
(五)具有里程碑意義的納米鍍膜技術
隨著納米技術的發展及涂鍍技術的進步，應用在刀具的納米鍍膜材料亦引起廣大研究者的關注。納米鍍膜主要有兩種：納米多層結構及納米復合結構，刀具中最為常見的應用是納米多層結構鍍膜，一般是由晶格常數相近的各單層硬質膜材料交疊組成，可能得到與組成此一多層結構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構，交替沉積單層涂層不超過5?15nm。
三、結語
單一的表面鍍膜處理越來越難以滿足高速、精密及超精密切削等先進切削加工技術對高性能刀具的要求，從技術面來說，刀具表面鍍膜處理採行復合表面處理技術，可實現成分、結構的梯度過渡區域，獲得性能更好的膜層組織，更高介面結合強度。因此膜層成分將趨于多元化、復合化；為滿足不同的切削加工要求，涂層成分將更為復雜、更具特定功能性；在復合鍍膜中，各單一成分膜層的厚度將越來越薄，并逐步趨于納米化；另一方面，鍍膜制程溫度將越來越低。PVD鍍膜技術經過30多年的發展，已成為工具制造業的一項關鍵技術，目前正處在蓬勃發展期。隨著材料科學技術的進展，鍍膜技術也由單層薄膜發展到多層、漸層、納米及納米復合結構薄膜，若于此基礎上，進一步減少操作步驟，降低成本，擴大多種多層鍍膜在不同刀具上的應用，必將取得更大的技術經濟效益。
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