刀具镀层也是能提高刀具寿命的议题之一,而根据不同的切削方法或环境,又能分为许多不同成分,在技术也能分为化学与物理,你目前使用的涂层是正确的吗?本篇将介绍涂层技术与种类,让你更了解并选出最适合的方式。
硬质合金刀具涂层方法
近半个世纪以来,为提升刀具性能刀具表面涂层技术已成为主流,镀层就像刀具的盔甲一样,具有强大的防护、耐酸、耐氧化抗磨耗等特性,能够提高刀具表面硬度与热稳定系数,并降低摩擦系数以提升切削速度,从而提高加工效率也提升刀具寿命。刀具涂层技术可分为CVD(化学)与PVD(物理)两大类:
CVD
CVD为化学气相沉积(chemical vapor deposition),利用生产纯度高与效能佳的固态材料化学技术,被广泛应用在硬质合金可转为刀具的表面处理,像是半导体产业会使用此技术来成长薄膜。CVD是将反应源以气体形式通入反应腔中,经由氧化、还原与基板反应进行化学的反应,进而生成物由内扩散作用而沉积至基板表面上。而反应过程中也有可能会产生不同的副产品,但大多会随著气流带走,并不会留在反应腔中。
PVD
PVD则为物理气相沉积(Physical vapor deposition),为工业制造的工业,主要藉由物理反应来沉积薄膜,即为真空镀膜(蒸镀),多用于切削工具与各种模具的表面处理,以及半导体装置的制作。PVD与CVD差别在于PVD的吸附与吸解是物理性,CVD则是化学性的,且PVD的适用范围较广泛,几乎大部分的材料薄膜都可用PVD,但薄膜厚度均匀性将会是个难题。
镀层种类
光是依靠单一涂层是无法满足提高各种机械性能的要求,因此涂层的成分逐渐多元与复合化,针对不同的切削加工要求,可将涂层分得更为复杂,且在复合涂层中,各成分涂层的厚度也越来越薄,甚至趋于纳米化,以下分享几种常见的镀层:
PVD涂层种类
涂层特点
涂层硬度HV
涂层厚度μm
摩擦系数
耐热溫度
涂层顏色
应用范围
TiN
单层
2300
2-3
0.6
600
金黄
最为普遍
具有高硬度 高耐磨性 耐氧化性
适合大多切削刀具、成形模具与抗磨损工件
TiCN
单层
2800
2-3
0.3
500
棕灰
有较低的内应力
较高的韧性与润滑性能
适合要求较低的磨擦系数与高硬度的加工环境
TiAIN
单层
3100
2-3
0.3
750
紫蓝
化学稳定性好
高热硬度性 抗氧化 耐磨性
适合干切削
CrN
单层
1800
2-3
0.2
700
银灰
拥有强润滑性能 耐高温特性
适合铜类金属切削刀具与耐磨耐府零件的涂层
DLC
单层
2500
1-2
0.1-0.2
300
黑灰
优良耐磨、耐腐蚀性能
摩擦係数极低 基体结合力强
用于刀具 通常与TiAIN为基体配合使用 用以加工有色金属 石磨等材料
镀层的优势
相较之下,经过镀层的刀具的表面硬度较高、耐磨性佳、化学性能稳定、耐热且耐氧化等,在切削过程中会比未经过镀层的刀具高出3到5倍的寿命,并提升切削速度与精度,甚至能降低成本。韧性较佳的刀具经过镀层后,能使刀具有更全面、良好的综合性能。在硬度上就能把原本760至960HV的高速钢与1300HV至1850HV的硬质合金,提升至2000到3000HV以上,因此镀层对于刀具来说是非常重要的。
结论
刀具寿命一直是许多制造业非常关注的议题,不管是从切削过程去作探讨,还是透过其他方式去监测,都是期望能够尽早发现问题,并将成本降至最低,而镀层就是其中会影响刀具寿命的因素之一,针对不同的切削方式与工件材质,使用不同的镀层刀具,将有助于整个制程的优化,并将效益最佳化。