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噴砂工藝對PVD涂層質量的影響

發布時間：2019-06-03

　　噴砂按工藝目的可分為：（1）表面清潔（2）刃口細化（3）改善鈷流失表面（4）涂層后處理。按噴砂的工藝方法分有干噴砂和濕噴砂。按操作方式可分為自動噴砂機和手動噴砂機。大部分干式噴砂機都配置有自動噴砂功能和手動噴砂功能，自動噴砂用來處理數量大、形狀規則的標準工件，如滾刀、鉆頭、插刀等；手動噴砂用來處理特殊工件，如模具等。

　　干式噴砂機使用的砂子有B4C、SiC、Al2O3(金剛砂)、Si02(玻璃珠)、鋼珠、塑膠粒等。B4C和SiC顆粒太硬，切削力很強，噴砂時間稍長，工件尺寸可能已超差，另外．可能在工件表面產生額外的冷壓強化應力，涂層更易剝落；玻璃珠雖硬但脆、易碎，磨損快，使用壽命低；鋼珠易銹污染工件，塑膠粒易粘在工件表面，這兩種情形都不易清洗干凈，增加了涂層質量下降和程序中斷的風險；另外，塑膠粒切削力太小．對硬質合金幾乎沒有作用。所以，選擇A1203(金剛砂)作為噴砂介質是最合適的，當然對于特定的工件，可以選擇更適合的噴砂材料。

　　當Al2O3(金剛砂)顆粒太小為13微米(F500)，噴砂壓力為2—5bar時，每分鐘可去除硬質合金表面大約0.007g的材料。也就是說，如果在一平方分米的區域內均勻噴砂10分鐘，材料表面會被去除大約0.5微米厚度。由此可見，用Al2O3(金剛砂)作為噴砂材料，幾乎不會改變工件的尺寸，即使多噴了一些時間，也沒有太大風險。噴砂所使用的砂子在使用一段時間后，砂子的棱角被磨損打圓，切削力明顯下降．所以要定期檢查砂子的磨損情況，必要時予以更換。

　　1）    噴砂的表面清潔作用

　　涂層結合力的好壞與被涂層表面狀況有很大關系，并不是在任何表面的涂層結合力都很好。噴砂作為涂層的一種前處理方法，是為了確保涂層在一些狀況不好的表面上的結合力，例如有氧化層的表面，被腐蝕的表面，研磨或拋光不佳的表面，等等。

　　工件表面的氧化層和腐蝕層與基體的結合強度很差，受到溫度變化、外力或應力作用很容易剝落．但僅僅通過清洗又很難徹底清理掉。在涂層加熱過程中，有些氧化層和腐蝕層逐漸剝落，沒有剝落的氧化層和腐蝕層就被涂層覆蓋：在覆蓋過程中。受到涂層應力作用，有些氧化層和腐蝕層也剝落；涂層結束后，沒有剝落的氧化層和腐蝕層就存在于基體與涂層之間，在涂層冷卻過程中，由于受溫度變化產生熱脹冷縮應力可能會帶著涂層一起剝落：沒有脫落的這部分涂層是靠氧化層或腐蝕層附著在基體之上的，其與基體的結合力很差，在工件使用過程中，這部分涂層先脫落。工件的失效從這里開始逐漸擴散，最終導致整個工件失效。在加熱、涂層、冷卻過程中的氧化層與腐蝕層的剝落，都會影響涂層的結構特性和結合力，最終都會導致工件涂層壽命的急劇降低。

　　噴砂可以在涂層前將工件表面的氧化層、腐蝕層等磨削掉。使刀具獲得一致的表面質量．以確保涂層結合力．減少涂層刀具在使用過程中的離散表現．即獲得較穩定的切削表現能力。

　　2）    噴砂的涂層前刃口細化作用

　　在刀具的鋒利刃尖處，涂層沉積的最厚，涂層的內應力很高。切削時，在切削力與內應力共同作用下，刃口處涂層首先崩裂、脫落，而刃口處的涂層性能直接決定著整個刀具的使用壽命。刃口細化是通過噴砂等處理方式將刀具刃口及切削面上的凸起顆粒及缺口碎屑去除、降低表面粗糙度，使刃口前刀面與后刀面有一個光滑過渡，減少涂層在刃尖的內應力集中。通過噴砂來細化這些表面，使其粗糙度得到改善，能提高涂層與基體的結合力。

　　3）    改善鈷流失表面

　　鈷流失指的是硬質臺金表面的鈷含量較內部含量低的情況。一般硬質合金(鎢鈷類和鎢鈷鈦類)主要是用鈷來作為粘結劑，而硬質合金中的鈷有一定的親水性，在刀具的加工制作過程和使用過程中會接觸冷卻液和潤滑液、退涂過程中會接觸脫膜液，都可能造成鈷的流失。 　　硬質合金表面是否有鈷流失，可在放大鏡下肉眼觀察，首先看表面色澤是否一致．如果色澤不一致，很可能有鈷流失。鈷流失量可通過EDXRF儀器來測量。將工件清洗干凈后，用一定直徑的鋼球研磨工件表面，磨得越深越好，分別測量出工件表面和所磨出的凹坑底部表面的鈷含量，二者之差就是工件表面的鈷流失量。如果對已出現鈷流失的工件不做任何表面處理而直接涂層，則涂層很可能會連著已失去粘結劑的硬質合金顆粒一起脫落。刀具基體失去了涂層的保護，壽命會太大降低。

　　鈷流失表面可以通過噴砂來改善，以提高涂層與硬質合金基體的結臺力。噴槍中噴出的砂子高速噴向鉆流失表面，將鈷粘結劑己流失周圍的硬質合金顆粒去除，那些粘結不牢固的硬質舍金顆粒也會被移出。這樣，噴砂后工件表面就沒有鉆流失或鉆流失狀況得到明顯改善。在這樣的表面上涂層，其結合力也將顯著增強。

　　既然鈷流失對涂層有負面影響．而噴砂又可以改善鈷流失表面，那么是不是只要有鈷流失，不管鈷流合失有多少，都可以用噴砂工藝來改善呢?實際上并非如此，一些輕微的鈷流失并不會影響涂層結合力，可以不噴砂而直接涂層：對于鈷流失較嚴重的，通過噴砂處理，使鈷流失控制在一定比率內就可以繼續涂層；如果噴砂后．表面鉆流失仍然很高．在可接受比率之外．那么在該工件上的涂層結合力就會不合格。 　　4）    噴砂的涂層后處理作用

　　涂層是由靶材蒸發、氣化變成微小的顆粒沉積在工件表面而形成的。在沉積快結束時，最后沉積的顆粒就會凸出在涂層表面．另外．涂層顆粒有大有小，那么形成涂層最表面的涂層顆粒也會大小不一，這樣在涂層最表面就會有很多大小不一的顆粒凸出在涂層表面，這些顆粒明顯增加了涂層的表面粗糙度，而涂層的表面粗糙度與工件工作時產生的磨擦阻力太小有很大關系。所以去除涂層表面的凸出顆粒來改善涂層表面粗糙度以減小摩擦、磨損就很有意義和必要。

　　涂層后噴砂就是通過噴砂將這些凸出于涂層表面的較大顆粒去除，從而改善涂層的表面粗糙度。工件的涂層表面粗糙度改善后，其加工時所遇到的切削阻力就會下降。以鉆頭涂層為例，在沒有做后處理時，鉆頭的鉆削阻力在整個鉆削過程中時高時低，也可以說鉆頭在鉆孔時，會產生震動，影響鉆孔精度，同時也會降低鉆頭的使用壽命。而經過噴砂處理后，在整個鉆孔過程中，鉆削阻力非常一致，鉆頭在鉆孔過程中震動也小，這是因為鉆頭涂層的表面粗糙度一致性好，摩擦阻力跳動小；另外，涂層表面平均粗糙度也明顯下降，刀具的壽命顯然也會提高。

　　

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