劈裂电弧—将刀具性能带进另一层次

随着科技的进步与时代的变迁，工业界开始致力于高产 量、低成本与高速化方面之发展，而刀具在工业发 展过程中具有举足轻重的角色。在二十世纪七十年 代初期硬质涂层刀具正式面世，表面处理技术如物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition, 简称 PVD) 技术相继得到高速发展， 为刀具性能带来前所未有的提升。

在刀具涂层的领域，PVD 分别以磁控溅射与阴极电弧技术 最为广泛使用。磁控溅射技术可在不同的金属、合金、氧化物 进行混合，涂层的选择性较多元化，但沉积率较低，等离子体 相对不稳定；而阴极电弧技术具有高离化率、沉积速率快，可 镀制出高硬度、高韧性、且附着性佳的涂层。然而，传统的阴 极电弧技术其靶材的使用率低，并且在沉积过程中伴随着高能 量等离子体所释出的电弧所形成的微粒，易致使表面形成缺陷 而造成粗糙度提升。

劈裂电弧：颠覆传统技术

因应市场的需求，swiss-PVD 于 2010 年开发劈裂电弧技术， 相较于传统的电弧技术，劈裂电弧使用更高的电流，提高靶材 的蒸发速度；而另一方面通过磁场对电流的控制，使电流在整 个靶材表面运动 ( 请参考图 1)，减少平均电流，从而减少液滴， 降低摩擦系数，改善涂层质量。

通过以传统电弧及劈裂电弧所沉积的 AlTiN 涂层测试及对 比 (1)，从图 2 可以观察得到，以传统电弧所沉积的 AlTiN 表 面质量 ( 往后以 c-AlTiN 表示 )，液滴大，表面较粗糙 ( 见图 2(a))，从涂层断面可以看到其涂层结构是柱晶状 ( 见图 2(c))； 而以劈裂电弧所产生的 AlTiN 表面质量 ( 往后以 s-AlTiN 表示 )， 液滴细而少，表面光滑 ( 见图 2(b))，而涂层结构相比于传统电 弧更致密 ( 见图 2(d))。

在机械性能方面，从表 1 看到，s-AlTiN 之纳米硬度不但比 c-AlTiN 高，其摩擦系数也比 c-AlTiN 为低。

为了验证劈裂电弧所沉积的涂层之性能及表现，进行了一 项切削测试，刀具分别使用原身钨钢刀 ( 无涂层 )、以传统电弧沉积之 c-AlTiN 及劈裂电弧沉积之 s-AlTiN。从图 3 之结果显 示，无涂层之切削长度为 15 m，c-AlTiN 之切削长度为 50 m， 而 s-AlTiN 之切削长度为 90 m, s-AlTiN 之表现比 c-AlTiN 提升 80%。

 

在切削力方面，经 s-AlTiN 涂层之刀具可使用更低的切削力，也可获得比 c-AlTiN 更佳的表现 ( 见图 4)。 在切削测试后，通过 EDX 在刀具刃口磨损位置进行成份 检测 ( 见表 2)，及以 SEM 观察各刀具之刃口状况 ( 见图 5)， 分析如下：

◆ 图 5(d) 位置 1 显示被加工材料附着在刀具上

◆图 5(e) 位置 2 显示为刀具底材之成份 ( 钨钢 )，表示此位 置之涂层已磨损

◆图 5(e) 位置 3 显示为被加工材料附着在刀具上

◆图 5(f) 位置 4 及位置 5 显示主要为 AlTiN 涂层，在切削 测试后仍然存在，没有被明显的磨损

而 swiss-PVD 最新开发的 SP708X 机 型 ( 见 图 6)， 除 了搭载劈裂电弧技术， 更进一步将电流输出提高至 800A，使等离子密 度提高，让靶材使 用率提升 100%，相 较于传统电弧技术 其生产速度提升 3 倍。也由于等离子密度的稳定输出，使涂层于沈积过程中微粒 减少使涂层表面粗糙度下降，并且进一步有效提升涂层的致密 性，使涂层之性能能够得到充份发挥。

ACO 涂层：加工高硬度模具钢之最佳伙伴

由科汇与 swiss-PVD 共同研究，为加工高硬度模具钢而开 发的新世代涂层 ACO，采用新开发的劈裂电弧技术涂层设备 SP708X，将刀具的性能带进另一个层次。

测试条件：

从两批以 ACO 涂层的刀具各取样本，与市场上同类产品 作切削测试

从图 7 所示，可获得以下两个结果：

1) 两批以 ACO 涂层的刀具经切削测后之磨损量非常接近， 表示质量稳定可靠。

2) 相对市场上的同类产品，两批 ACO 涂层刀具之磨损量 均明显较低，耐磨性有着 35-40% 提升。 作为新世代的电弧技术，劈裂电弧提供高等离子密度、高 沉积率、少液滴、更致密的涂层结构，与及更佳的耐磨性，为 传统 PVD 涂层注入新动力。

后记

科汇拥有接近二十年之 PVD 涂层服务经验，是中国第一家 使用瑞士涂层技术的专业涂层服务公司。科汇目前在全中国有 七间涂层中心，分布在香港、华南、华东及华北地区，现有员 工二百多名，集合中、港、台三地的精英为核心管理骨干，拥 有世界排名前 100 大学的博士及硕士学历的精英团队作技术支 持，提供高质稳定之涂层服务。

注释： (1)Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 17(2007), s814-s817.

 

 

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