Как машина для нанесения твердого покрытия PVD продлевает срок службы режущих инструментов и форм

Торцевая фреза из твердого сплава без покрытия, режущая штамповую сталь 42CrMo4, обычно достигает предела износа через 20–30 минут. Пропустите тот же инструмент через цикл TiAlN на машине для нанесения твердых покрытий PVD, и боковой износ обычно наступает через 3-5 раз. Производители литья под давлением видят ту же картину: вставка затвора, которая начинает мигать стеклонаполненными нейлоновыми деталями после 60 000 выстрелов, может выдержать 200 000 выстрелов, если на ней нанесена пленка нитрида хрома толщиной 2 микрона.

Эта разница не является результатом удачи. Он получается в результате вакуумного процесса, который восстанавливает рабочую поверхность в микронном масштабе без изменения геометрии инструмента. В этом руководстве объясняется, что на самом деле делает машина, какие механизмы износа атакует пленка и как оценить, сохранятся ли полученные результаты в вашем производстве.

Что на самом деле делает машина для нанесения твердого покрытия PVD

А Машина для нанесения твердого покрытия PVD выращивает керамическую пленку толщиной от 1 до 4 микрон, такую как TiN, TiAlN, AlCrN или DLC, на очищенных инструментах и формах внутри вакуумной камеры при температурах, достаточно низких, чтобы сохранить термообработанную твердость и готовые размеры.

Физическое осаждение из паровой фазы (PVD) преобразует твердые металлические мишени в ионизированный пар и реагирует с азотом или технологическими газами на поверхности заготовки. Источники катодной дуги обеспечивают высокую энергию ионов и сильную адгезию, а магнетронное распыление позволяет получать более гладкие пленки, которые ценятся в полированных полостях. Перед осаждением аргоновое плазменное травление удаляет последние оксидные слои, так что пленка связывается с химически активной сталью или карбидом. Поскольку пленка имеет толщину в несколько микрометров и повторяет профиль поверхности, полированная полость остается полированной, а подготовленный край сохраняет свою геометрию без повторного шлифования или повторной полировки после нанесения покрытия.

Выбор покрытия осуществляется в соответствии с областью применения:

• Нитрид титана (TiN), около 2300 HV: фрезерование, сверление и формовка общего назначения при умеренных температурах
• Нитрид титана-алюминия (TiAlN), около 3300 HV: сухая и высокоскоростная обработка, защищенная поверхностным слоем, богатым оксидом алюминия
• Нитрид алюминия-хрома (AlCrN), около 3200 HV: высокие температуры резки и абразивные нержавеющие стали
• Алмазоподобный углерод (DLC), от 2000 до 4000 HV с очень низким трением: формы для резины, пластмасс и алюминия, где преобладает прилипание
• Тетраэдрический аморфный углерод (Ta-C), выше 4000 HV: требования к экстремальному износу и защите от прилипания

Поставщики упаковывают это как полную линию, а не как одну камеру. Компания Shanghai Zenix Vacuum Coating Technology Co., Ltd., производитель оборудования для вакуумного нанесения покрытий, основанная в 1985 году, объединяет камеры для нанесения твердых покрытий с машинами предварительной обработки, вакуумными насосами и технологической поддержкой, а также производит оборудование для производства TiAlN, нанокомпозитных твердых пленок, DLC и Ta-C.

Четыре механизма износа, на которые воздействует машина для нанесения твердого покрытия PVD

Машина для нанесения твердого покрытия PVD продлевает срок службы инструмента, поскольку пленка воздействует сразу на четыре канала разрушения: истирание, вызванное твердостью, адгезия, вызванная трением, окисление, вызванное нагревом, и сколы, вызванные напряжением.

• Истирание: TiAlN при температуре около 3300 HV примерно в 3–4 раза тверже быстрорежущей стали M2 и примерно вдвое тверже многих марок карбида, поэтому абразивные частицы сдирают с поверхности гораздо меньше материала
• Адгезия: Трение о сталь падает примерно с 0,6–0,7 без покрытия до примерно 0,4–0,5 с TiAlN, что подавляет нарастающую кромку и внезапные трещины кромки, которые за ней следуют
• Окисление: богатая оксидом алюминия поверхность TiAlN остается стабильной примерно до 800 градусов Цельсия против примерно 600 градусов Цельсия для TiN, что обеспечивает более высокие скорости и сухую резку
• Диффузия и износ кратеров: пленка действует как химический барьер, замедляющий диффузию железа и кобальта при контактных температурах, защищая поверхность граблей

Режущие инструменты и формы: откуда берется выигрыш в жизни

Режущие инструменты зарабатывают на режущей кромке, а формы - на скользящих и заполняющих поверхностях, поэтому выбор пленки, толщина и стратегия обновления различаются в зависимости от двух применений.

Рабочий процесс нанесения покрытия: пять шагов, которые определяют, сохранится ли прирост жизни

Срок службы покрытия зависит как от подготовки кромок, очистки и контроля температуры, так и от самого материала покрытия, поскольку первоклассная пленка на обожженной или загрязненной кромке рано выходит из строя.

Дисциплина повторного покрытия имеет такое же значение, как и первый запуск:

1. Химически удалите старую пленку, не повреждая подложку
2. Повторно затачивайте края после каждой повторной шлифовки и никогда не наносите новое покрытие на поврежденные шлифовальные поверхности
3. Отслеживайте срок службы за цикл повторного покрытия и выводите инструмент из эксплуатации, когда потеря субстрата приближается к пределу

Экономика: оцените машину для нанесения твердого покрытия PVD по стоимости за деталь

Машина для нанесения покрытия окупается, когда стоимость покрытия на готовую деталь составляет небольшую часть стоимости инструмента, а прирост срока службы составляет не менее 2 раз; ниже этого порога инвестиции редко закрываются.

Относитесь к этим цифрам как к исходным данным для планирования, а не как к обещаниям. Запишите количество минут на одно ребро до и после первого испытания покрытия, включите время простоя станка на каждую смену инструмента, и решение станет простой арифметикой, а не обсуждением.

Часто задаваемые вопросы

Изменяет ли PVD-покрытие размеры прецизионных инструментов?

Нет. Пленки имеют размер от 1 до 4 микрон и повторяют существующий контур, поэтому последующая обработка не требуется. На самых острых краях пленка может закруглить кончик на один-два микрона, подготовку краев к этому необходимо учитывать заранее.

При какой температуре протекает процесс PVD и размягчит ли он закаленную сталь?

Стандартные рецепты катодной дуги работают при температуре от 350 до 500 градусов Цельсия, что ниже диапазона отпуска большинства горячедеформированных сталей. Низкотемпературные процессы при температуре около 200–250 градусов Цельсия применяются для холоднодеформированных сталей и готовых узлов, не переносящих нагрев.

Как долго сохраняется покрытие на режущем инструменте?

На один интервал заточки. Пленка изнашивается вместе с кромкой, поэтому стандартной практикой является снятие и повторное покрытие после каждого повторного шлифования, что восстанавливает полную производительность для следующего цикла.

Стоит ли использовать машину для нанесения твердого покрытия PVD для пресс-форм, а не только для режущих инструментов?

Да, когда в формах используются абразивные стеклонаполненные полимеры, коррозионный ПВХ или липкие эластомеры. Полости и затворы с покрытием обычно растягивают интервалы технического обслуживания в 2-4 раза и более чисто высвобождают детали, что также снижает трудозатраты на полировку и ремонт.