超聲波清洗液對PVD涂層壽命影響的實驗分析

郭子銘 林榮川

摘要：作為涂層前處理最重要的一道工序，超聲清洗能將涂層產品表面油污、灰塵及氧化雜質清除，保證待鍍產品表面清潔，提高膜基結合力。因此，本文研究超聲波清洗機以及清洗液更換頻次對PVD鍍膜的AlCrSiN涂層銑刀的壽命的影響，通過兩組對照實驗，得出以下結論。第一，進口2CRD200全自動清洗設備比國產九槽清洗機清洗效果好，產品走刀壽命能提高24.09%。第二，使用2周以上的超聲波清洗液清洗的刀具測試走刀壽命為2.91m，更換新超聲波清洗液清洗的刀具測試走刀壽命為2.73m，頻繁更換清洗液（兩周一次）對提高產品待鍍件清潔度，延長刀具走刀壽命影響不大。

Abstract： As the most important process of coating pretreatment， ultrasonic cleaning can remove oil， dust and oxidized impurities on the surface of the coated product， ensuring the surface of the product to be coated is clean， and improving the adhesion of the film base. Therefore， this article studies the impact of ultrasonic cleaning machine and cleaning fluid replacement frequency on the life of PVD-coated AlCrSiN coated milling cutters. Through two sets of comparative experiments， the following conclusions are drawn. First， the imported 2CRD200 cleaning equipment has a better cleaning effect than the domestic nine-slot cleaning machine， and the tool life of the product can be increased by 24.09%. Second， the test tool life of tools cleaned with ultrasonic cleaning fluid for more than 2 weeks is 2.91m， and the test tool life of tools cleaned with new ultrasonic cleaning fluid is 2.73m. Frequent replacement of cleaning fluid （once every two weeks） improves the product. The cleanliness of the parts to be plated has little effect on extending the tool life.

關鍵詞：超聲波清洗液;PVD鍍膜;刀具壽命

Key words： ultrasonic cleaning fluid;PVD coating;tool life

中圖分類號：V235.1? ? ? ? ? ? ?; ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）20-0068-02

0? 引言

隨著科學技術的高速發展，超聲技術已越來越多地應用于人們的生產和生活的各個領域。從超聲測距到超聲檢驗，超聲治療和超聲滅菌，廣泛應用于工業、農牧業和醫療等各個行業，它已為人們所熟悉。但超聲設備在表面處理行業的應用，人們還不夠熟悉和了解。超聲波可以對涂層工件施加非常巨大的能量，尤其適用于清除牢固地附著在基底上的污垢。然而在某些情況下，不合理使用超聲波也會損傷待鍍產品性質脆弱的基底材料[1-4]。

物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD）是現代制造業中發展迅速的先進制造技術，其涂層薄膜可以有效提高工模具的物理、機械性能和有效壽命。作為PVD涂層前處理中最重要的一道工序，超聲清洗能將涂層產品表面油污、灰塵及氧化雜質清除，保證待鍍產品表面清潔，提高膜基結合力，從而有效提升產品性能[5]。同時，是否擁有一套專業的清洗線設備是衡量一家涂層企業水平的重要標準[6]。因此，選擇高質量的超聲清洗設備和研究清洗設備清洗液更換頻次對涂層質量至關重要。

1? 實驗

1.1 涂層制備

采用非平衡磁控濺射離子鍍的鍍膜技術在YG6硬質合金銑刀，含WC0.4%Co6%，尺寸為D1×9.0mm，制備AlCrSiN涂層，又名二研RRC銑刀，用于加工PCB印制電路板。銑刀用切削試驗進行性能測試。所用設備為意大利進口的物理氣相沉積設備（型號ICS-S800），采用的靶材為Cr靶（純度99.9%），兩個Al0.6Cr0.4靶（純度99.9%）以及Ti0.8Si0.2靶（純度99.9%）。如表1所示，涂層制備前，三組銑刀各10把，進行標記，互相為對照實驗組。經過不同的步驟經超聲清洗機清洗，烘干，去除表面油漬、水漬和灰塵并等待使用。

涂層制備過程：前處理完成的銑刀基體被裝夾到轉爐架上一起送入涂層設備，轉爐架在設備中轉速5Rpm，預抽真空到0.5Pa，將基體加熱到450℃，通入氬氣（流量200sccm），氬氣在輝光放電下電離形成Ar+，Ar+在基體負偏壓700V的吸引下刻蝕基體13min，去除基體表面的氧化物，增加基體的粗糙度，目的是為了增加膜基結合力。再把溫度加熱到480℃，通入氮氣（流量250sccm），工作氣體達到0.1Pa，在基體偏壓為-100V，Cr靶以120A電流工作10min在基體表面形成300nm厚的Cr打底層，為了過渡AlCrSiN膜層和基體的結合，緩和AlCrSiN膜層和基體熱膨脹系數差及硬度值差異較大的作用。隨后Cr靶和Al0.6Cr0.4靶同時以120A的電流采用基體偏壓逐漸降低（100V-60V）的模式在CrN打底層表面沉積形成多層梯度AlCr薄膜，第一層AlCr的沉積時間為30min，每層沉積時間減量為5min，共6層;在相同工作模式下，最后使用Al0.6Cr0.4靶和Ti0.8Si0.2靶在CrN打底層表面沉積多層梯度AlCrSiN薄膜，涂層膜厚為2.0～3.0μm。

1.2 銑削實驗

涂層銑刀銑削實驗在金鷺的恩德PR-2228/S4上進行，被加工工件的材料為PCB覆銅板iT158材料，疊板層數為6層，高度為6mm，加工線路是Q-0.1。實驗中，切削方式為槽銑，銑刀表面的涂層分別為無洗AlCrSiN涂層、臟水洗AlCrSiN涂層和清水洗AlCrSiN涂層，主軸轉速為42KRPM，下刀速度0.3m/min，退刀速度10m/min，行刀速度4m/min對應主軸兩組1和2。當銑削過程中發出尖銳的噪聲且伴隨較多火花時，停止銑削，進行檢驗，根據ISO 標準，若銑刀后刀面磨損VB=1/2ap≥25%μm或者崩刃，則認定該銑刀已達刀具使用壽命，將其從刀柄上卸下，采用基恩士VHX-5000超景深三維視頻顯微鏡測量并分析后刀面的磨損情況。

2? 結果與分析

在銑削實驗中，被加工件為PCB印制電路版的覆銅板iT158材料，AlCrSiN涂層銑刀進行銑削實驗。當走刀距離在1.53m之后，未洗的銑刀后刀面涂層出現輕微磨損脫落，但是涂層未被磨穿，銑刀基體未暴露。涂層銑刀達到自身壽命后斷裂。

隨著走刀距離的增加，在1.98m左右時（圖1（a）），涂層銑刀四周出現較多火花，銑刀后刀面磨損寬度為18.02μm，達到磨鈍標準，涂層被磨穿，銑刀基體顯露。臟水超聲清洗涂層銑刀在進行銑削時，當走刀距離在2.58m，銑刀后刀面磨損為輕微的磨粒磨損;走刀距離進一步增加至3.11m左右時，銑刀后刀面磨損寬度為15.35μm（圖1（b）），達到磨鈍標準。清水超聲清洗涂層銑刀在進行銑削時，當走刀距離在2.14m，銑刀涂層開始磨損脫落;走刀距離至2.63m左右時，銑刀后刀面磨損寬度為20.19μm，達到磨鈍標準（圖1（c））。

可見，清水超聲清洗和臟水超聲清洗再次經過2CRD200清洗機超聲清洗可減輕銑刀上AlCrSiN涂層的磨粒磨損，提高銑刀的使用壽命。但是頻繁更換清洗液，也就是清水相對于臟水，并沒有提高銑刀的使用壽命。

通過分析比較不同超聲波清洗處理步驟銑刀的使用壽命情況。結果發現，臟水超聲波清洗處理涂層銑刀走刀距離最長壽命最高可達3.11m（平均2.91m左右），平均壽命是無洗處理涂層的1.32倍，壽命提高了32.27%;清水處理涂層銑刀走刀距離平均為2.73m左右，相對與無洗涂層壽命提高了24.09%。可見，進口2CRD200清洗設備比國產九槽清洗機清洗效果好，無論是臟水還是清水再一次經過2CRD200清洗設備超聲清洗產品走刀壽命都能顯著提高。

3? 結論

第一，進口2CRD200清洗設備比國產九槽清洗機清洗效果更優，無論是臟水還是清水再一次經過2CRD200清洗設備超聲清洗產品走刀壽命都能顯著提高，分別提高32.27%和24.09%。

第二，使用2周以上的超聲波清洗液清洗的刀具測試走刀壽命為2.91m，更換新超聲波清洗液清洗的刀具測試走刀壽命為2.73m，頻繁更換清洗液（兩周一次）對提高產品待鍍件清潔度，延長刀具走刀壽命影響不大。

參考文獻：

[1]李雅莉.超聲波清洗的原理和實際應用[J].清洗世界，2006（07）：31-35.

[2]M.D. Tyona. A comprehensive study of spin coating as a thin film deposition technique and spin coating equipment[J]. Advances in Materials Research，2013，2（4）.

[3]吳強，孔瑜.自適應超聲波清洗機[J].金屬制品，2013，39（05）：48-50.

[4]張逢瑞.超聲波清洗設備控制系統的設計與實現[D].華中科技大學，2013.

[5]張而耕，朱州，周瓊.PVD涂層高速鋼微鉆用于鋁合金鉆削性能研究[J].南京理工大學學報，2016，40（03）：348-353.

[6]柳琪，王進，王小連，周鵬，孫樹峰.PVD涂層工業化應用及發展現狀[J].鑄造技術，2018，39（02）：440-444.