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噴砂工藝對(duì)PVD涂層質(zhì)量的影響

噴砂按工藝目的可分為：（1）表面清潔（2）刃口細(xì)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(dòng)噴砂機(jī)和手動(dòng)噴砂機(jī)。大部分干式噴砂機(jī)都配置有自動(dòng)噴砂功能和手動(dòng)噴砂功能，自動(dòng)噴砂用來(lái)處理數(shù)量大、形狀規(guī)則的標(biāo)準(zhǔn)工件，如滾刀、鉆頭、插刀等；手動(dòng)噴砂用來(lái)處理特殊工件，如模具等。

干式噴砂機(jī)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(qiáng)，噴砂時(shí)間稍長(zhǎng)，工件尺寸可能已超差，另外．可能在工件表面產(chǎn)生額外的冷壓強(qiáng)化應(yīng)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(zhì)量下降和程序中斷的風(fēng)險(xiǎn)；另外，塑膠粒切削力太小．對(duì)硬質(zhì)合金幾乎沒(méi)有作用。所以，選擇A1203(金剛砂)作為噴砂介質(zhì)是最合適的，當(dāng)然對(duì)于特定的工件，可以選擇更適合的噴砂材料。

當(dāng)Al2O3(金剛砂)顆粒太小為13微米(F500)，噴砂壓力為2—5bar時(shí)，每分鐘可去除硬質(zhì)合金表面大約0.007g的材料。也就是說(shuō)，如果在一平方分米的區(qū)域內(nèi)均勻噴砂10分鐘，材料表面會(huì)被去除大約0.5微米厚度。由此可見(jiàn)，用Al2O3 (金剛砂)作為噴砂材料，幾乎不會(huì)改變工件的尺寸，即使多噴了一些時(shí)間，也沒(méi)有太大風(fēng)險(xiǎn)。噴砂所使用的砂子在使用一段時(shí)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(shí)予以更換。

1）噴砂的表面清潔作用

涂層結(jié)合力的好壞與被涂層表面狀況有很大關(guān)系，并不是在任何表面的涂層結(jié)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(jié)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(jié)合強(qiáng)度很差，受到溫度變化、外力或應(yīng)力作用很容易剝落．但僅僅通過(guò)清洗又很難徹底清理掉。在涂層加熱過(guò)程中，有些氧化層和腐蝕層逐漸剝落，沒(méi)有剝落的氧化層和腐蝕層就被涂層覆蓋：在覆蓋過(guò)程中。受到涂層應(yīng)力作用，有些氧化層和腐蝕層也剝落；涂層結(jié)束后，沒(méi)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(guò)程中，由于受溫度變化產(chǎn)生熱脹冷縮應(yīng)力可能會(huì)帶著涂層一起剝落：沒(méi)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(jié)合力很差，在工件使用過(guò)程中，這部分涂層先脫落。工件的失效從這里開(kāi)始逐漸擴(kuò)散，最終導(dǎo)致整個(gè)工件失效。在加熱、涂層、冷卻過(guò)程中的氧化層與腐蝕層的剝落，都會(huì)影響涂層的結(jié)構(gòu)特性和結(jié)合力，最終都會(huì)導(dǎo)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(zhì)量．以確保涂層結(jié)合力．減少涂層刀具在使用過(guò)程中的離散表現(xiàn)．即獲得較穩(wěn)定的切削表現(xiàn)能力。

2）噴砂的涂層前刃口細(xì)化作用

在刀具的鋒利刃尖處，涂層沉積的最厚，涂層的內(nèi)應(yīng)力很高。切削時(shí)，在切削力與內(nèi)應(yīng)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(gè)刀具的使用壽命。刃口細(xì)化是通過(guò)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(gè)光滑過(guò)渡，減少涂層在刃尖的內(nèi)應(yīng)力集中。通過(guò)噴砂來(lái)細(xì)化這些表面，使其粗糙度得到改善，能提高涂層與基體的結(jié)合力。

3）改善鈷流失表面

鈷流失指的是硬質(zhì)臺(tái)金表面的鈷含量較內(nèi)部含量低的情況。一般硬質(zhì)合金(鎢鈷類(lèi)和鎢鈷鈦類(lèi))主要是用鈷來(lái)作為粘結(jié)劑，而硬質(zhì)合金中的鈷有一定的親水性，在刀具的加工制作過(guò)程和使用過(guò)程中會(huì)接觸冷卻液和潤(rùn)滑液、退涂過(guò)程中會(huì)接觸脫膜液，都可能造成鈷的流失。

硬質(zhì)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(guò)EDXRF儀器來(lái)測(cè)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(cè)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(duì)已出現(xiàn)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(huì)連著已失去粘結(jié)劑的硬質(zhì)合金顆粒一起脫落。刀具基體失去了涂層的保護(hù)，壽命會(huì)太大降低。

鈷流失表面可以通過(guò)噴砂來(lái)改善，以提高涂層與硬質(zhì)合金基體的結(jié)臺(tái)力。噴槍中噴出的砂子高速?lài)娤蜚@流失表面，將鈷粘結(jié)劑己流失周?chē)挠操|(zhì)合金顆粒去除，那些粘結(jié)不牢固的硬質(zhì)舍金顆粒也會(huì)被移出。這樣，噴砂后工件表面就沒(méi)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(jié)合力也將顯著增強(qiáng)。

既然鈷流失對(duì)涂層有負(fù)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(lái)改善呢? 實(shí)際上并非如此，一些輕微的鈷流失并不會(huì)影響涂層結(jié)合力，可以不噴砂而直接涂層：對(duì)于鈷流失較嚴(yán)重的，通過(guò)噴砂處理，使鈷流失控制在一定比率內(nèi)就可以繼續(xù)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(jié)合力就會(huì)不合格。

4）噴砂的涂層后處理作用

涂層是由靶材蒸發(fā)、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(jié)束時(shí)，最后沉積的顆粒就會(huì)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(huì)大小不一，這樣在涂層最表面就會(huì)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(shí)產(chǎn)生的磨擦阻力太小有很大關(guān)系。所以去除涂層表面的凸出顆粒來(lái)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(guò)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(shí)所遇到的切削阻力就會(huì)下降。以鉆頭涂層為例，在沒(méi)有做后處理時(shí)，鉆頭的鉆削阻力在整個(gè)鉆削過(guò)程中時(shí)高時(shí)低，也可以說(shuō)鉆頭在鉆孔時(shí)，會(huì)產(chǎn)生震動(dòng)，影響鉆孔精度，同時(shí)也會(huì)降低鉆頭的使用壽命。而經(jīng)過(guò)噴砂處理后，在整個(gè)鉆孔過(guò)程中，鉆削阻力非常一致，鉆頭在鉆孔過(guò)程中震動(dòng)也小，這是因?yàn)殂@頭涂層的表面粗糙度一致性好，摩擦阻力跳動(dòng)?。涣硗?，涂層表面平均粗糙度也明顯下降，刀具的壽命顯然也會(huì)提高。

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