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最新先进涂层技术在模具制造中的应用

最新先进涂层技术在模具制造中的应用 2011年12月04日 来源： “真空离子电镀”一词于10年前已在中国国内工业界中出现，被业界广泛认识到的首先是这种表面处理技术可作为装饰性的应用，增强产品的外观效果。由于市场需求的不断增加， 本地开始重视这种技术，并进一步研究应用至功能性涂层的可行性。近年来，“真空离子电镀”改以“物理气相沉积”(PVD)的专业名字出现在市场之中，重点加强其功能性方面的应用，特别是在模具及其它金属零部件上确能带来相当大的益处。有鉴于此，本文将对(PVD)涂层技术作出深入的介绍，并探讨未来的市场发展前景及技术的演变。 整体提高对工业涂层的认识 欧洲国家对工业涂层的研究相当发达，科汇钛力公司算是将(PVD)涂层引进至中国制造业的先锋，深刻体会到模具制造及金属加工业对涂层的应用及使用模式的转变。这几年科汇的推广工作加深了厂商对涂层的认识，使他们了解到模具、刀具、金属零部件或制品涂层的重要性。现在较多厂商已作出实际行动，为模具及产品使用高质素的涂层。 在各类产品中，模具及一些高端产品(例如：剃须刀片、半导体加工机械零件、无尘室夹具等)使用涂层的情况较为普遍，刀具方面使用涂层的情况相对较少。这是因为刀具涂层的情况相对于模具及其它产品涂层的发展有所不同。根据行业的使用习惯，刀具涂层一般已在刀具制造商方面完成了涂层的工作。因此对于自行进行刀具涂层的工作需求较少。相对而言，模具涂层对于厂商的关系更为密切。 根据科汇苏欧代理的瑞士PLATIT公司进行的内部调查数字，若以美国、欧洲、亚洲三个工业区域划分，美国使用涂层的增幅最为强劲，2001年至2005年的整体营业额增加超过五成，而亚洲及欧洲地区的增长虽不及美国，但在过去五年里，也有两倍的增幅。 造成这种情况的原因如下：美国的交通网络发达，物流发展较完善，速递工作讲求服务承诺，因此具备了先决条件；而对于厂商来说，由于生产周期愈来愈短，时间稍有延误将造成不可估量的损失，这一点对涂层业的发展有正面的推动作用。另一因素是美国的整体业界对涂层的认知水平较高，例如：涂层需要在严格的环境下进行，某些金属材料不能混合一起进行涂层等，对此他们都有充分地认识；反观中国的涂层业，仍属“专业”的范畴，非业内人士对涂层的认识不深，也阻碍了本地涂层业的顺利发展。 高端产品为目标市场 不少厂商都会考虑两个问题：产品是否需要进行涂层？究竟自行购置一部涂层设备， 还是将刀具或模具产品送往涂层加工服务商较为划算？涂层工作只占工具生产成本的10%左右，但却可以提高数倍寿命，因此，涂层可以说是非常有必要的，而且也是未来的发展潮流。至于如何衡量自行购买或外派涂层工作则需要留意市场。现时所见，无论本地或台湾的厂商已开始将涂层机视为常规设备，即使涂层设备的售价在这几年来没有大幅下降的情况下，他们仍选择购入了涂层设备， 这也反映出对涂层的需求愈来愈旺。而PLATIT PVD超硬涂层系统的不同系列可以满足各厂商不同的要求。 为模具增加更长的使用寿命 模具使用涂层具有显着的优点：第一，涂层是延长模具寿命的有效方法，降低整体生产成本，并可增加产能及提高产品性能的稳定性。由于工件表面增加了薄膜的保护，一般可加强使用寿命达3至4倍；长远而言，可减少制造模具的套数。至于实际可延长寿命多少，主要视乎产品本身，如冲压模具使用了特制的STARVIC (TiCN-MP + MOVIC) 涂层，使其使用寿命增加了七倍之多。 第二，加强模具及产品使用的可靠性。具备规模的企业注重生产质量，要求产品（例如：电器及手提电话等）的可靠性高，故采用严谨的质量保护措施；加上现时制造业的生产周期日益缩短，一旦生产过程中出现问题（例如：模具损毁），未必有足够的时间进行补救，而涂层足可为模具提供质量的保证。 第三，突出产品的效果。PVD涂层除了提供功能的防御，同时可保护模具表面，提升产品外观。 涂层设备技术的演变 PLATIT自1992年推出首部涂层设备，之后也出现不少变革，而PL70是现时标准的涂层机型号，采用平面矩形的阴极电弧涂层技术 (俗称平面靶)，适合进行中小批量的刀具或模具。至2003年纳米涂层技术的正式推出，为模具及金属加工行业带来了新景象。技术方面， 其蒸发源已由原来的平面靶转为可转动的圆柱靶，原来的平面靶只有二至三成的使用率，而旋转靶的使用率高达70%～80%，且更为环保，同时进一步改善了“液滴”的问题，使表面更为光滑。其它的好处包括可解决热力集中的问题，提高蒸发能量等，这一革新可提升靶材料利用率，改善涂层表面粗糙度及制造出Si3N4 (氮化硅)涂层。圆柱靶电弧涂层更是PLATIT的专利技术，PLATIT ?0型号纳米涂层机便是属于这一种类。 纳米涂层将成为未来的发展方向 涂层本身的技术研发工作也加速了金属制造及模具业应用涂层技术的发展步伐。原来化学气相沉积(CVD) 涂层的厚度为10祄，相比之下，现时的PVD涂层的厚度只有1祄更精确，这对于满足市场需要将带来一定的影响。 就涂层技术的发展而言，传统以钛 (Titanium) 基为主要的涂层材质，而未来使用铬 (Chromium) 基涂层的机会将会不断提高，即不含钛的涂层应用层面将更广，AlCrN涂层将成新一代的涂层种类，铬的耐热性比钛 (Titanium)的耐热性高，粘附性也较好。 由于制造商对于使用纳米涂层正处于起步阶段，故仍有相当大的市场潜力。另外，对于力求完美的大企业来说，涂层将成模具设计环节中的一部份，这个崭新意念在行业之中将具有象征意义。 纳米涂层结构在这10多年的发展历程中经历了3个重大阶段，包括九十年代初的纳米渐进式 (Nanogradients) 涂层，九十年代初末推出的纳米厚度 (Nanolayers) 涂层，以及2004年推出的纳米结构 (Nanocomposites) 涂层。纳米结构 (Nanocomposites) 涂层是指在TiAlN 或AlCrN纳米结晶粒埋藏于Si3N4-matrix非晶体的矩阵之中，成为纳米结构涂层，能够穿梭于复合涂层之间，优化表面光滑度，提高硬度达Hv4500，耐高温达1200℃，并可提高靶材使用量。NACo、nACRo及nACVIc三种都是PLATIT纳米结构涂层，并已取得了专利。PLATIT ?0型号纳米涂层机便是属于纳米结构涂层种类，采用的LARC (Lateral Rotating Cathodes) 的高真空技术，已取得注册专利。 涂层业的前景分析 此外， 针对目前的市场发展，产品多样化，生产材料转变等因素都使涂层的需求上升。这一说法将可在涂层种类及材料的数目不断增加之中得到印证。单以PLATIT公司的涂层发展为例，5年来的涂层数目增加了10多种，总数达到20多种。预计模具制造业及金属加工业使用涂层的发展前景非常乐观。 (end)

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