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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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