刀具需要涂层吗?镀层种类这么多该如何选择?

2021-04-19

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选用,让你更了解并选出最适合的。

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係数,并降低摩擦係数以提升切削速度,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,进而生成物藉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。

CVD技术主要用于硬质和金车削类的刀具涂层,适合用于中型、重型切削的高速加工,且比较起来CVD设备简单、工艺成熟,沉积物种类多,速率高易控制,有高度的渗透性与均匀性,能获得不同组织的多层涂层且厚薄均匀,最重要的是工艺成本低,适合大量生产。

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。

PVD技术主要适用于整体硬质合金刀具与高速工具钢刀具,普遍应用在硬质合金鑽头、铣刀、丝锥与焊接刀具等涂层的处理,PVD的涂层温度低于高速工具钢回火温度,因此不会伤害到硬度与尺寸精度,涂层后不需再热处理,涂层的厚度也只有几微米能保有原本的精度,整个工作乾淨无公害无污染。

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複合化,针对不同的切削加工要求,可将涂层分得更为複杂,且在複合涂层中,各成分涂层的厚度也越来越薄,甚至趋于纳米化。

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。

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