最新先進塗層工藝在模具製造中的應用

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模具製造    時間:2014-03-12 03:44:18
最新先進塗層工藝在模具製造中的應用簡介
「真空離子電鍍」一詞於10年前已在中國國內工業界中出現,被業界廣泛認識到的首先是這種表面處理技術可作為裝飾性的應用,增強產品的外觀效果。由於市場需求的不……
最新先進塗層工藝在模具製造中的應用正文

「真空離子電鍍」一詞於10年前已在中國國內工業界中出現,被業界廣泛認識到的首先是這種表面處理技術可作為裝飾性的應用,增強產品的外觀效果。由於市場需求的不斷增加,本地開始重視這種技術,並進一步研究應用至功能性塗層的可行性。近年來,「真空離子電鍍」改以「物理氣相沉積」(PVD)的專業名字出現在市場之中,重點加強其功能性方面的應用,特別是在模具及其它金屬零部件上確能帶來相當大的益處。有鑒於此,本文將對(PVD)塗層技術作出深入的介紹,並探討未來的市場發展前景及技術的演變。

整體提高對工業塗層的認識

歐洲國家對工業塗層的研究相當發達,科匯鈦力公司算是將(PVD)塗層引進至中國製造業的先鋒,深刻體會到模具製造及金屬加工業對塗層的應用及使用模式的轉變。這幾年科匯的推廣工作加深了廠商對塗層的認識,使他們了解到模具、刀具、金屬零部件或製品塗層的重要性。現在較多廠商已作出實際行動,為模具及產品使用高質素的塗層。

在各類產品中,模具及一些高端產品(例如:剃鬚刀片、半導體加工機械零件、無塵室夾具等)使用塗層的情況較為普遍,刀具方面使用塗層的情況相對較少。這是因為刀具塗層的情況相對於模具及其它產品塗層的發展有所不同。根據行業的使用習慣,刀具塗層一般已在刀具製造商方面完成了塗層的工作。因此對於自行進行刀具塗層的工作需求較少。相對而言,模具塗層對於廠商的關係更為密切。

根據科匯蘇歐代理的瑞士PLATIT公司進行的內部調查數字,若以美國、歐洲、亞洲三個工業區域劃分,美國使用塗層的增幅最為強勁,2001年至2005年的整體營業額增加超過五成,而亞洲及歐洲地區的增長雖不及美國,但在過去五年裡,也有兩倍的增幅。

造成這種情況的原因如下:美國的交通網路發達,物流發展較完善,速遞工作講求服務承諾,因此具備了先決條件;而對於廠商來說,由於生產周期愈來愈短,時間稍有延誤將造成不可估量的損失,這一點對塗層業的發展有正面的推動作用。另一因素是美國的整體業界對塗層的認知水平較高,例如:塗層需要在嚴格的環境下進行,某些金屬材料不能混合一起進行塗層等,對此他們都有充分地認識;反觀中國的塗層業,仍屬「專業」的範疇,非業內人士對塗層的認識不深,也阻礙了本地塗層業的順利發展。

高端產品為目標市場

不少廠商都會考慮兩個問題:產品是否需要進行塗層?究竟自行購置一部塗層設備,還是將刀具或模具產品送往塗層加工服務商較為划算?塗層工作只佔工具生產成本的10%左右,但卻可以提高數倍壽命,因此,塗層可以說是非常有必要的,而且也是未來的發展潮流。至於如何衡量自行購買或外派塗層工作則需要留意市場。現時所見,無論本地或台灣的廠商已開始將塗層機視為常規設備,即使塗層設備的售價在這幾年來沒有大幅下降的情況下,他們仍選擇購入了塗層設備,這也反映出對塗層的需求愈來愈旺。而PLATIT PVD超硬塗層系統的不同系列可以滿足各廠商不同的要求。

為模具增加更長的使用壽命

模具使用塗層具有顯著的優點:第一,塗層是延長模具壽命的有效方法,降低整體生產成本,並可增加產能及提高產品性能的穩定性。由於工件表面增加了薄膜的保護,一般可加強使用壽命達3至4倍;長遠而言,可減少製造模具的套數。至於實際可延長壽命多少,主要視乎產品本身,如衝壓模具使用了特製的STARVIC (TiCN-MP + MOVIC)塗層,使其使用壽命增加了七倍之多。

第二,加強模具及產品使用的可靠性。具備規模的企業注重生產質量,要求產品(例如:電器及手提電話等)的可靠性高,故採用嚴謹的質量保護措施;加上現時製造業的生產周期日益縮短,一旦生產過程中出現問題(例如:模具損毀),未必有足夠的時間進行補救,而塗層足可為模具提供質量的保證。

第三,突出產品的效果。PVD塗層除了提供功能的防禦,同時可保護模具表面,提升產品外觀。

塗層設備技術的演變

PLATIT自1992年推出首部塗層設備,之後也出現不少變革,而PL70是現時標準的塗層機型號,採用平面矩形的陰極電弧塗層技術(俗稱平面靶),適合進行中小批量的刀具或模具。至2003年納米塗層技術的正式推出,為模具及金屬加工行業帶來了新景象。技術方面,其蒸發源已由原來的平面靶轉為可轉動的圓柱靶,原來的平面靶只有二至三成的使用率,而旋轉靶的使用率高達70%~80%,且更為環保,同時進一步改善了「液滴」的問題,使表面更為光滑。其它的好處包括可解決熱力集中的問題,提高蒸發能量等,這一革新可提升靶材料利用率,改善塗層表面粗糙度及製造出Si3N4 (氮化硅)塗層。圓柱靶電弧塗層更是PLATIT的專利技術,PLATIT ?0型號納米塗層機便是屬於這一種類。

納米塗層將成為未來的發展方向

塗層本身的技術研發工作也加速了金屬製造及模具業應用塗層技術的發展步伐。原來化學氣相沉積(CVD)塗層的厚度為10?,相比之下,現時的PVD塗層的厚度只有1?更精確,這對於滿足市場需要將帶來一定的影響。

就塗層技術的發展而言,傳統以鈦(Titanium)基為主要的塗層材質,而未來使用鉻(Chromium)基塗層的機會將會不斷提高,即不含鈦的塗層應用層面將更廣,AlCrN塗層將成新一代的塗層種類,鉻的耐熱性比鈦(Titanium)的耐熱性高,粘附性也較好。

由於製造商對於使用納米塗層正處於起步階段,故仍有相當大的市場潛力。另外,對於力求完美的大企業來說,塗層將成模具設計環節中的一部份,這個嶄新意念在行業之中將具有象徵意義。

納米塗層結構在這10多年的發展歷程中經歷了3個重大階段,包括九十年代初的納米漸進式(Nanogradients)塗層,九十年代初末推出的納米厚度(Nanolayers)塗層,以及2004年推出的納米結構(Nanocomposites)塗層。納米結構(Nanocomposites)塗層是指在TiAlN或AlCrN納米結晶粒埋藏於Si3N4-matrix非晶體的矩陣之中,成為納米結構塗層,能夠穿梭於複合塗層之間,優化表面光滑度,提高硬度達Hv4500,耐高溫達1200℃,並可提高靶材使用量。NACo、nACRo及nACVIc三種都是PLATIT納米結構塗層,並已取得了專利。PLATIT ?0型號納米塗層機便是屬於納米結構塗層種類,採用的LARC (Lateral Rotating Cathodes)的高真空技術,已取得註冊專利。

塗層業的前景分析

此外,針對目前的市場發展,產品多樣化,生產材料轉變等因素都使塗層的需求上升。這一說法將可在塗層種類及材料的數目不斷增加之中得到印證。單以PLATIT公司的塗層發展為例,5年來的塗層數目增加了10多種,總數達到20多種。預計模具製造業及金屬加工業使用塗層的發展前景非常樂觀。

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