驶向新岸——类金刚石碳(DLC)和氮氧化物涂层的升级
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借助于具有便携性和柔性的PVD涂层装置,“厂内涂层”IHC无疑是能够实现这一目标最有前途的业务模式之一。IHC涂层装置能够沉积任何涂层,从简单的氮化钦、纳米复合涂层、氧化物涂层直到类金刚石碳(DLC)涂层。自2003年起,PLATIT公司主要的中小企业客户已在全球范围内使用带有旋转阴极的,涂层系统。

概要

“在你所在的行业,迟早都会发生一些根本性的变化。”在经济景气时期,中小型磨具和工具制造企业的老板们都努力增加产能,以便能够按时交货。而在经济衰退时期,这些企业不再需要增加产能。然而,创新技术能带来更高的产品质量和(或)开拓新的市场。这可能有助于减轻甚至结束危机。
“当你从危机中摆脱困境时,它会很有效率。”借助于具有便携性和柔性的PVD涂层装置,“厂内涂层”(In-House Coating, IHC)无疑是能够实现这一目标最有前途的业务模式之一。

图1 工具制造商和重磨服务商转向“篮海”(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
将专用涂层从通用涂层中分离出来,这一变化使产品更稳定,质量更好,更鼻沧吐新性和独特性。转向新的市场,即从竞争过于激烈的“红海”转向“蓝海”,能必曾加盈利,并能加快新投资的回报速度(见图1)。
在通往“蓝海”的路途中,制造商应该保留切削刀具产品作为“安全港”,但是,“通往安全港的船只尚未建造好。”
IHC涂层装置能够沉积任何涂层,从简单的氮化钦、纳米复合涂层、氧化物涂层直到类金刚石碳(DLC)涂层。自2003年起,PLATIT公司主要的中小企业客户已在全球范围内使用带有旋转阴极的,涂层系统。
本文主要介绍该类产品的最新发展,如:氧化物和氮氧化物涂层、DLC涂层以及性能更优异、与纳米复合涂层相结合的TripleCoatings三重涂层。

1 涂层用户关注的重点


图2 涂层用户的关注重点(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

图3 双挡板式旋转阴极(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
“工具制造商都精通切削材料和刀具的几何设计,因此,他们的竞争力将取决于所使用的涂层。”由遍及世界各地的通用涂层设备提供的标准涂层不可能帮助企业在竞争中保持领先。为了获得成功,企业需要有独家专用的(定制)涂层以适应特定的加工。只有在自己的IHC 中心开发的专用涂层才可能拥有这种专有权和独特性。涂层用户的主要需求证明了这种观点的正确性(见图2)。
切削加工的多样性导致涂层种类不断增加。目前已有80多种包含各种化学成分、不同种类的涂层,如果考虑到不同的成分含量,涂层种类甚至超过250种。

2 柔性涂层系统的定义

只有满足以下条件时,柔性涂层系统才能纳人专有生产工艺中:
  • 具有完备的全套涂层系统。该系统应能提供:
    • 切削刃和刀具表面的预处理和后处理;
    • 对工件表面的剥离活化处理;
    • 清洁靶材;
    • 质量控制体系。
  • 该涂层系统对操作人员的专业素质要求不高。
  • 该涂层系统可在两年内达到成本效益平衡。
  • 该系统能够沉积传统涂层、高性能涂层以及用于特定加工的专门涂层。

2.1 创新的涂层装置

“创新能力是领跑者与效仿者的分水岭。创新就是在客户最需要时满足其需求。”
π涂层技术的核心是双挡板式旋转阴极(见图3a) ,其工艺步骤为:
  • 涂层前,利用虚拟挡板对靶材进行清洁,避免基体(刀具)被污染:
    • 关闭管式挡板,防止刀具在涂层之前被污染。
    • 电弧阴极系统(ARC )向后触发;虚拟挡板被激活。
  • 开始用洁净的靶材沉积(涂层):
    • 关闭虚拟挡板;
    • 开启管式挡板;
    • 电弧阴极系统(ARC)朝向刀具触发;
这种双挡板技术使涂层具有很好的粘附性(无需延长表面刻蚀时间)以及平滑的、无液滴的表面。

2.2 广阔的涂层应用范围

从一种生产模式向另一种生产模式的平稳转换使生产各种不同的涂层以及缩短生产周期成为可能。
  1. 传统涂层正因为有两个并排的阴极,横向旋转电弧阴极(LARC)技术才能使用成本效益好的非合金靶材,并能用同样的阴极沉积各种类型的涂层。涂层的成分及含量可通过所用的软件得到进州步确定。这种阴极结构(Cr-Al-Ti) (见图3b)能够生产几乎所有市场上常见的物理气相沉积(PVD)涂层产品,包括:
    • TiN, TiCN , TiCN-MP, Ti2N ,超级TiN;
    • TiAlN (50/50%), AlTiN ( 60/40%,67/33%) ;
    • TiAlCN ( 75/25%, 80/20%)
    • CrN, CrTiN , AlCrN( 70/30%, 80/20%)
    • TiAlCrN=复合涂层
    • 顶层采用DLC涂层的所有涂层。
  2. 纳米结构涂层
    为沉积纳米结构涂层,需要用硅化铝(AlSi)阴极替代图3b所示的铝(Al)阴极。该工艺所需的亚稳相偏析效应的实现,应归功于Ti-AlSi和/或Cr-AlSi阴极的接近程度。
    TiAlN或AlCrN纳米晶粒被嵌入非晶合金的SiN基体,从而使以下纳米复合结构和涂层能够生长沉积:
    • nACo:TiAlN/SiN
    • nACRo:CrAlN/SiN
    • nATCRo: AlTiCrN/SiN
    SiN基体包裹住这些晶粒,阻碍了它们的生长,这种结构使硬度的增加成为可能。


  3. 图4 TriploCoatings涂层:由传统涂层和纳米涂层构成(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
  4. TriploCoatings三重涂层
    TriploCoatings三重涂层由传统涂层和纳米结构涂层构成:
    • nACo3:TiN+AlTiN+nACo
    • nACRo3:CrN+AlTiCrN+nACRo
    • nATCRo3:CrTIN+AlTiN+nATCRo。
    这些涂层分三个阶段逐层沉积(见图4):
    • 沸占附层:通过使用钦和域铬(不使用合金靶材),可获得最佳粘附性。由于具有相似的杨氏弹性模量,粘附层可实现基体与涂层之间的平滑过渡。
    • 中间层:由于具有较低的内应力,中间层可充当具有良好耐磨性和更高硬度的坚固核心。中央旋转阴极(CERC)保证了高的沉积率,这意味着高的生产率。
    • 顶层:纳米结构顶层表现出了极高的硬度、出色的隔热性(硅)以及高的抗磨损能力。
    由于具有不同的结构,TriploCoatings三重涂层可以用于些许文献和图5 中的各种切削加工。
  5. 氧化物涂层和氮氧化物涂层
    “创造力就是集思广议。”
    PVD氧化物和氮氧化物涂层的沉积和域应用只有在与其它涂层相结合的情况下才能成功,否则,最终会出现所需粘附性不足、结合力差和硬度不够等后果。当与传统氮化物涂层(特别是纳米结构涂层)结合后,其应用范围将非常广泛。

    图5 TriploCoatings涂层和氮氧化物涂层在高速干式车削时的性能对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

    图6 PLATIT氧化物和氮氧化物涂层的结构(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

    图7 PLATIT 类金刚石碳涂层的结构(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    氧化物和氮氧化物涂层用于将刀具/部件与工件隔开,降低二者之间的亲和力,特别是在会产生高温的干切削过程中(见图5)。它们具有以下优点:
    • 对粘结磨损、磨料磨损、氧化和氧扩散(在涂层本身已是氧化物的情祝下)的高抵抗性;
    • 化学隔离、热隔离作用和化学惰性;
    • 即使在超过1000 ℃的高温条件下也能减摩;
    • 减少积屑瘤的产生和摩擦接触区材料的内部扩散。
    为了防止产生裂纹和塑性变形,需要采用金属氮化物基涂层,这些涂层(与CVD 涂层类似)成为了多层涂层结构的组成部分(见图6)。
    我们目前的氧化物涂层是基于TriploCoatings涂层的原理发展而成,包括:
    • AlCrNoX:CrN+AlCrN+AlCrON(也可选AlCrN)
    • nACoX:TiN+nACo+AlCrN+AlCrON(也可选AlCrN)
    由于采用了以RC 旋转阴极,采用含氧混合气氛的ARC 工艺特别稳定:
    • 在涂层过程中,ARC电压不会增大。
    • 可采用高离子流,从而提高沉积率。
    • 可采用含氧量较低的直流偏压(DC BIAS)放大器,采用中频脉冲偏压(可达350kHz)可以避免充电。
    • 首选氮氧比例为:N/O: 50/50%-80/20%。
    • 转台上的标准涂层厚度为7-18µm。
    • 标准总硬度:30GPa。
    • 标准杨氏翰性模量:-400GPa。
  6. DLC(类金刚石碳)涂层
    类金刚石碳(DLC)是一种具有高含量立方sp3元素的亚稳态无定形碳(见图7)。
    掺加了金属的第一代PLATIT类金刚石碳涂层(CBC:a-C:H:Me)是采用纯PVD工艺沉积出来的。为了获得良好的粘附性,它在生产时在涂层炉中与硬质涂层相结合。因此,它们的名字是:
    • CROMVIc=CrN+CBC
    • cVlc=TiCN+CBC
    • nACVIc:nACRo+CBC usw
    CBC涂层可提高切削和成形工具的性能,并在加工容易产生积屑瘤的软而粘材料时发挥重要作用。

    图8 PLATIT类金刚石碳涂层的摩擦性能对比(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

    图9 PLATIT类金刚石碳涂层的不同用途(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)

    图10 PLATIT开发的几种可沉积氧化物涂层和DLC涂层的涂层设备(鼠标悬浮窗口放大,单击查看放大全图)
    不含金属的第二代PLATIT类金刚石碳涂层(CBC2:a-C:H:Si)是采用PVC/PECVD混合工艺沉积出来的。其特有的含硅气氛有助于改善涂层的以下特性:
    • 化学稳定性;
    • 透光性;
    • 极佳的粘附性(DLC涂层)(Lc1>55N,Lc2>75N,Lc3>100N)
    • 高的机械硬度(>25GPa)
    • 光滑的表面(Sa<0.03µm)
    • 低摩擦系数(µ<0.1,耐久性好,不易破损;见图8)
    目前,DLC涂层主要应用于大规模生产的零件,通过减少摩擦来防止零件磨损和破损。但是,这并非PLATIT公司将涉及的业务领域。与标准涂层设备相比,新型涂层设备(π111 + DLC , π300 + DLC, PL1001 + DLC;见图10)具有以下独特的特点:
    • 虚拟挡板与管式挡板相结合;
    • 350kHz的BIAS放大器;
    • 脉冲式电弧放大器(可选);
    • 为大流量控制器附加的气瓶和气管;
    • 带滤尘器的专用加热器;
    • 可选操作装置升级。
    用上述涂层设备沉积的CBC2涂层非常适合用于以下高质量工具、零件和高科技设备(见图9):
    • 压模、冲模和成形工具;
    • 螺纹成型模;
    • 医疗器械和人体植入物;
    • 运动型赛车上承受重载的零件,如阀门挺杆、换档拉杆等;
    • 通用机械零部件,如涡轮叶片、缝纫机主轴等。
    这种CBC2涂层不仅至少有一层薄的PVD粘结层,而且与同一炉涂覆的完整PVD涂层相结合。其最重要的结构类型和应用领域为:
    • cVIC2:TiCN + CBC2,模具和成形工具,医疗器械与人体植入物;
    • CROMVIc:CrN + CBC2,低温涂层零件;
    • CROMTIVIc:CrTIN + CBC2,抗蚀零件,铝加工切削刀具。
    • nACVIc:nACRo + CBC2,加工特殊材料(如Inconel合金、钛合金等)用的切削和成形工具;
    • Fi-Vic:nACo+CBC2,重载零件(如阀门挺杆)。

3 结语

中小型制造企业不仗希望从高质星涂层生产商那里定期获得技术支持,还需要它们为满足一些特殊应用需求而持续进行涂层产品开发。这是企业能在竞争中保持领先地位的唯一方法。
本文介绍了PLATIT公司π系列涂层设备的发展现况。为了生产氧化物、氮氧化物涂层和/或新一代DLC涂层,可通过现场升级方式对现有涂层设备的硬件和软件进行技术升级。通过升级,使企业能够:
  • 生产可用于新的加工领域的刀具涂层;
  • 进人新的市场领域。
“只有通过开发新的市场,不断创新,并为客户提供独具特色、切实可行的价值体系,才能不断获得成功。”
本文作者:T.Cselle,0.Coddet等(著) 周荣(译) 胡红兵(校)
原载:《工具展望》2009年第6期
上载于:2012-5-28 16:23:36

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