提升刀具效能，增加竞争优势

 

进口刀具在高端市场一直拥有领导地位，但国产刀具经过几十年的磨练及演变，其质量已续渐与进口刀具拉近距离，着实有赖整个供应链的努力，包括材料、刀具设计、生产工艺、涂层等。而涂层是刀具在切削加工之最前线，其性能往往影响刀具的寿命及加工效果，所以涂层在整个供应链中占有一个非常关键的位置。

 

涂层的发展

 

按涂层的发展过程，已往刀具市场所使用的涂层主要为氮化钛(TiN)、氮碳化钛(TiCN)、氮化铝钛(TiAlN)等，但随着科技不断革新，加工条件、状况、被加工材料之性能等不断演变，至使已往所发展的涂层已满足不了生产需求。有见及此，各涂层供货商因着不同的要求，更改或添加不同化学元素、调整涂层结构等方式，发展出不同种类的涂层，如加入硅之纳米结构涂层、以铝铬为基础的新型耐高温涂层等，务求将刀具的性能带进另一层次。

 

在涂层开发方面，国外供货商特别是欧洲因着长久的历史，一直有着领导性的优势，在设备(硬件)及研发(软件)方面具前胆性，但开发对象主要是国外客户，他们有着先进及稳定的机床、规范性的加工条件，涂层之发择往往是事半功倍。但随着国内市场之迅速发展，很多应用的领域及需求都是因着国内刀具应用者(如手机零件制造商、模具加工商)的特殊情况(如不同的加工状况、不同加工机种、不同材料、工人欠缺规范性)，而未能达到预期效果。

 

以下会从两方面探讨如何为刀具制造商提供具竞争力之策略：

 

◆高性价比

 

◆专业化/客制化

 

瑞士新技术，价格不变，性能提升

 

已往TiAlN被广泛应用在刀具上，其中一个主要市场是加工中低硬度模具钢，亚洲科汇的同类涂层为MDT，通过劈裂电弧技术，其耐磨性相比于市场上的TiAlN已有所提升。而据客户反映，为了增加生产效益，终端用家希望在价格不变的情况下，其刀具寿命需要进一步增加。为了达到此目的，亚州科汇技术团队重新针对涂层的结构与制程技术进行优化改良，进而发展新型涂层MDTL，相较于原MDT涂层性能提升33%。为进一步了解MDTL对市场的同等类型涂层的性能比较，将针对市场通用TiAlN系的涂层进行切削测试比对。图1为市场TiAlN与MDTL涂层于R5圆形刀片并进行加工测试，并量测刀刃磨损的结果。图2为刀片经过切削完毕后的形貌，可以发现涂MDTL刀片在经过120分钟切削后，刀刃并没有任何崩缺情况产生仅有轻微磨损；而另一方面，涂TiAlN刀片经过测试已产生崩缺情形产生，由此结果可以得知MDTL涂层优于市场的TiAlN涂层。

 

测试条件

 

 

测试结果

 

 

而在加工中高硬度模具钢之领域，市场上多以AlTiN为主要涂层考虑，因其硬度、耐磨性及耐高温性均比TiAlN有所提升。近年来涂层商之研发人员加入硅元素，并利用纳米结构，开发出一款TiAlSiN之纳米涂层，其硬度、耐磨性及耐高温性将进一步提升，以下是这三款涂层的性能对比：

 

 

基于TiAlSiN，亚洲科汇开发了一款ALL涂层，目标是应用于加工38-55HRC硬度范围之模具材料，在市场上已广受客户接受。虽然如此，亚洲科汇通过调整涂层工艺及结构之经成，开发了新一代ALLX涂层。为进一步了解ALLX对市场同等类型涂层的性能，将进行切削测试。其切削参数分别如下所示，图3为ALLX涂层与市场同等类型涂层于铣刀上切削测试后之刀刃磨损值比较，由图中可以发现涂ALLX铣刀之刀刃磨损值较低于其它涂层的刀刃磨损值，由此结果意味着ALLX涂层较其它涂层具有更佳的耐磨性。图4为各个涂层铣刀经过切削测试后的刀刃形貌，可以发现ALLX涂层铣刀在经过120分钟切削后，其侧刃并没有任何崩缺情况产生，仅有轻微磨损；而另一方面，其余铣刀经过切削测试后可以明显观察到侧刃有崩缺情形产生，由此显示刀具经已受损。综合切削测试结果ALLX涂层的性能经过改良优化后再次推上另一层次，并且与市场上同等系列涂层相比，其ALLX涂层有着40%的性能提升。

 

测试条件

 

 

针对不同应用，涂层之设计作出客制化

 

金刚石普遍称为钻石，是世界上最坚硬的化学结构。由于现代纳米科学的进步、科学家已可利用化学气相沉积法（Chemical Vapor Deposition,CVD）快速而有效地沉积金刚石薄膜，让刀具拥有像钻石般坚硬之表面，可切削一些非常难加工的材料，例如：PCB板、石墨、陶瓷、硬质合金及碳纤维板。

 

以上的材料均有一个共同点是硬度高，对于刀具之磨损非常大，以往的PVD涂层已不能满足要求，而金刚石涂层是一个有效的解决方案。

 

由于不同材料之特性，例如石墨电极需要很高的刀具强度及耐用性、PCB具有粘聚合物及一些坚硬填充物，刀具需具有强度要求及表面抗粘粘层等，所以在发展金刚石涂层时必须要按不同情况加以考虑。

 

在现时的金刚石涂层发展，主要提供以下两款结构：

 

 

如表格2显示，MCD结构具有高硬度(纳米硬度为100-110GPa)，但表面之粗糙度相对较高，适用于加工高磨损的材料如石墨电极；而NCD结构之硬度比MCD略低(纳米硬度为80-85GPa)，但晶粒幼细，韧性高，适用于加工碳纤维这类具备断续性及长纤维的材料。

 

而针对压制玻璃的石墨模具，除了石墨本身的磨损性外，加工后需要一定程度之表面光洁度，所以如真接使用MCD结构之金刚石涂层，其表洁度未能达到要求。

 

经亚洲科汇的技术团队及瑞士NeoCoat科研人员研发后，开发出一款以MCD为基础，将晶体以渐进方式将其纳米化之特殊复合结构，既拥有耐磨性，而表面之光洁度也能满足生产需要，此研究将会申请成为专利。

 

结论

 

现时市场竞争激烈，刀具商需要在当中脱颖而出，必须在各细节上注意、改进，并加以严格管控。而涂层作为刀具之最前线，其性能将会最直接影响使用效果。通过开发客制化及专业化的涂层，可让刀具的性能得到提升，增加竞争优势。

 

 

 

 

本文由亚洲科汇有限公司供稿