پوشش ابزار: فناوری تقویت سطح که تولید صنعتی را توانمند می سازد

در کل چرخه عمر تولید صنعتی و کاربرد ابزار، عملکرد سطح اغلب دوام، کارایی و اقتصاد ابزار را تعیین می کند. به عنوان یک فناوری دقیق برای عملیات سطحی، آبکاری ابزار با ایجاد پوشش های با عملکرد ویژه بر روی سطح ابزار، تقویت هدفمند عملکرد ابزار را به دست می آورد و به یک فناوری پشتیبانی کلیدی ضروری در زمینه هایی مانند پردازش مکانیکی، تجهیزات پزشکی و هوافضا تبدیل شده است.

I. ماهیت و ارزش اصلی آبکاری ابزار

آبکاری ابزار به اصطلاح کلی برای فرآیندهایی اشاره دارد که یک یا چند لایه از فیلم های فلزی، آلیاژی یا ترکیبی را بر روی سطح زیرلایه های ابزار با استفاده از روش های فیزیکی، شیمیایی یا الکتروشیمیایی رسوب می دهند. منطق اصلی آن جبران کمبودهای عملکردی مواد زیرلایه از طریق "اصلاح سطح" است - بدون تغییر ساختار مکانیکی کلی ابزار، می تواند مزایای عملکردی را بر روی سطح ایجاد کند و به مزیت فنی "عملکرد بالا با هزینه کم" دست یابد. از منظر ارزش صنعتی، عملکردهای اصلی آبکاری ابزار در چهار جنبه متمرکز شده است: اول، بهبود مقاومت در برابر سایش با ایجاد یک "زره سطحی" با پوشش های سخت - به عنوان مثال، عمر مفید فرزهای CNC می تواند پس از آبکاری آلیاژ سخت 3 تا 10 برابر افزایش یابد. دوم، افزایش مقاومت در برابر خوردگی با جداسازی محیط های خورنده مانند آب، اسیدها، جلوگیری از زنگ زدگی و خرابی ابزارهایی مانند آچار و ابزارهای عملیاتی در فضای باز در محیط های مرطوب. سوم، بهینه سازی ویژگی های عملکردی - به عنوان مثال، آبکاری نقره مقاومت تماسی ابزارهای الکترونیکی را کاهش می دهد و آبکاری تفلون تلفات اصطکاکی را کاهش می دهد. چهارم، کنترل هزینه - با تقویت موضعی قطعات کلیدی، استفاده از مواد گران قیمت را در سراسر جایگزین می کند و هزینه های تولید ابزار را به طور قابل توجهی کاهش می دهد.

II. انواع اصلی فرآیندهای آبکاری ابزار و ویژگی های اصلی انتخاب فرآیندهای آبکاری ابزار باید با مواد زیرلایه، سناریوهای کاربردی و الزامات عملکردی مطابقت داشته باشد. در حال حاضر، پرکاربردترین فرآیندها در زمینه صنعتی را می توان به آبکاری الکتریکی سنتی و فرآیندهای رسوب بخار فیزیکی مدرن (PVD) تقسیم کرد که تفاوت های قابل توجهی در ویژگی های هر نوع فرآیند وجود دارد:

(1) سیستم فرآیند آبکاری الکتریکی سنتی

فرآیند آبکاری کروم (کروم سخت)

با استفاده از محلول اسید کرومیک به عنوان الکترولیت، یون های کروم از طریق الکترولیز بر روی سطح ابزار رسوب می کنند. مزیت اصلی آن سختی بسیار بالا (HV800-1200)، مقاومت در برابر سایش قوی و یک سطح روشن است که برای ابزارهایی مانند آچار، میله های هیدرولیک و قالب هایی که تحت اصطکاک با بار بالا قرار دارند، مناسب است. با این حال، آبکاری کروم سنتی مشکل آلودگی یون کروم را دارد و در حال حاضر به تدریج به فرآیندهای آبکاری کروم سازگار با محیط زیست ارتقا می یابد.

فرآیند آبکاری روی

به آبکاری گالوانیزه گرم و گالوانیزه سرد (الکترو گالوانیزه) تقسیم می شود، که از طریق یک لایه روی، محافظت آندی فداشونده را تشکیل می دهد، با هزینه کم و مقاومت در برابر خوردگی عالی. لایه های گالوانیزه گرم می توانند به 50-100 میکرومتر برسند، که برای ابزارهای لوله در فضای باز و سخت افزار ساختمان مناسب است. لایه های گالوانیزه سرد نازک (5-20 میکرومتر) هستند اما سطح صافی دارند، که اغلب برای ابزارهای کوچک مانند اتصالات الکترونیکی دقیق استفاده می شوند.

فناوری آبکاری انتخابی

با استفاده از تکنیک های ماسک زنی برای کنترل دقیق ناحیه آبکاری، فقط قطعات کلیدی ابزار تقویت می شوند. به عنوان مثال، آبکاری کروم موضعی بر روی قسمت گرفتن آچار یا نوک پیچ گوشتی می تواند الزامات عملکردی را برآورده کند و در عین حال مصرف محلول آبکاری را کاهش دهد. این فرآیند آبکاری هدفمند را از طریق روش هایی مانند پوشش لایه های عایق و کنترل سطح مایع به دست می آورد و انتشار آلاینده ها را بیش از 60٪ در مقایسه با آبکاری کلی کاهش می دهد، که مطابق با مفهوم تولید سبز است.فرآیندهای PVD رسوب پوشش را در یک محیط خلاء از طریق روش های فیزیکی به دست می آورند که دارای سازگاری با محیط زیست و عملکرد عالی پوشش هستند و جهت اصلی برای آبکاری ابزار با کیفیت بالا هستند:با استفاده از یک میدان مغناطیسی برای افزایش بمباران یونی مواد هدف، اتم ها بر روی سطح ابزار رسوب می کنند. پوشش متراکم و یکنواخت با چسبندگی قوی است که قادر به دستیابی به پوشش های دقیق فوق العاده نازک (1-5 میکرومتر) است که برای ابزارهای با دقت بالا مانند پروب های تراشه های نیمه هادی و اتصالات فیبر نوری مناسب است.

تبخیر قوس

با استفاده از یک قوس الکتریکی به عنوان منبع انرژی برای تبخیر مواد هدف، با سرعت یونیزاسیون بالا، پوشش دارای سختی و مقاومت در برابر سایش برجسته است. پوشش های فوق العاده سخت مانند TiN (نیترید تیتانیوم) و TiAlN (نیترید تیتانیوم آلومینیوم) اغلب با استفاده از این فرآیند تولید می شوند. ابزارهای تراش CNC که با پوشش های TiAlN درمان می شوند می توانند برش در دمای بالا بالای 800 درجه سانتیگراد را تحمل کنند.

پاشش مگنترون تقویت شده با پلاسما ترکیب فناوری پلاسما برای بهینه سازی فرآیند رسوب، یکنواختی پوشش بیشتر بهبود می یابد و می تواند با پوشش ابزارهایی با هندسه های پیچیده، مانند تقویت لبه های برش نامنظم ابزارهای جراحی پزشکی، سازگار شود.

(3) فرآیندهای پوشش با عملکرد ویژه

آبکاری الماس

دانه های ساینده الماس در یک پوشش مبتنی بر نیکل تعبیه شده اند تا یک لایه کاری فوق العاده سخت تشکیل دهند. برای ابزارهای الماسی با زیرلایه های فولاد ضد زنگ، چندین مرحله پیش تصفیه مانند چربی زدایی، اچ کردن و فعال سازی مورد نیاز است. در میان آنها، فرآیند اچ کردن HCl در دمای اتاق می تواند به طور موثر فیلم اکسید را بدون خوردگی زیرلایه حذف کند، که برای اطمینان از چسبندگی پوشش بسیار مهم است. این ابزارها به طور گسترده در عملیات با شدت بالا مانند پردازش سنگ و سنگ زنی شیشه استفاده می شوند.یک پوشش پلی تترافلوئورواتیلن با استفاده از فرآیند تف جوشی اسپری تشکیل می شود. دارای ضریب اصطکاک کم (0.04-0.1) و در برابر دمای بالا مقاوم است. برای ابزارهای جوشکاری و تجهیزات فرآوری مواد غذایی مناسب است و از چسبندگی و خوردگی جلوگیری می کند.

III. ملاحظات کلیدی و کنترل کیفیت برای پوشش ابزار

اثر پوشش ابزار به جزئیات فرآیند و کنترل کیفیت بستگی دارد. در کاربردهای عملی، باید بر روی نکات اصلی زیر تمرکز شود:تطبیق مواد زیرلایه: برای زیرلایه های فولاد ضد زنگ، مشکل فیلم های اکسید باید حل شود و باید از مواد چربی زدایی ویژه و فرآیندهای فعال سازی در دمای اتاق استفاده شود. ابزارهای آلومینیومی مستعد اکسیداسیون هستند و باید ترجیحاً آبکاری روی یا فرآیندهای PVD را انتخاب کنند.

مطابقت با تقاضای صحنه: برای شرایط دمای بالا، باید پوشش های مقاوم در برابر دمای بالا مانند TiAlN انتخاب شوند. در محیط های مرطوب، آبکاری روی یا آبکاری کروم باید در اولویت قرار گیرد. برای ابزارهای دقیق، باید از پوشش های ضخیم اجتناب شود و ضخامت پوشش باید در 5 میکرومتر کنترل شود تا از انحرافات دقت ابعادی جلوگیری شود.

(2) پیش تصفیه و کنترل چسبندگی پوشش

پیش تصفیه اساس کیفیت پوشش است. برای ابزارهای فولادی ضد زنگ، چربی زدایی ترجیحاً با استفاده از یک محلول چربی زدایی شیمیایی از NaOH + Na₂CO₃ + امولسیفایر OP انجام می شود که مقرون به صرفه است و روغن را کاملاً حذف می کند. همراه با تجهیزات اولتراسونیک، می تواند قطعات کار پیچیده را مدیریت کند. توصیه می شود فرآیند فعال سازی از یک فرمول دمای اتاق از H₂SO₄:H₂O = 1:1 استفاده کند، که می تواند فیلم اکسید تازه تشکیل شده را حذف کرده و الزامات حفاظت از محیط زیست را برآورده کند. چسبندگی پوشش را می توان از طریق یک آزمایش شوک حرارتی تأیید کرد: قطعه کار را به مدت 1 ساعت تا 300 درجه سانتیگراد حرارت دهید و سپس آن را سریع خنک کنید. اگر زیر ذره بین حباب یا پوسته پوسته شدن وجود نداشته باشد، واجد شرایط است.

(3) انطباق با محیط زیست و نگهداری پس از آن

آبکاری الکتریکی سنتی نیاز به تقویت تصفیه فاضلاب دارد. آبکاری موضعی استفاده از محلول آبکاری را برای کاهش آلودگی کاهش می دهد و همراه با یک سیستم گردش محلول آبکاری، می تواند به کاهش 80 درصدی انتشار آلاینده ها دست یابد. در طول استفاده از پوشش، از ضربه های شدید خودداری کنید و به طور منظم با مواد شوینده خنثی تمیز کنید تا از فرسایش واسط بین پوشش و زیرلایه توسط محیط خورنده باقیمانده جلوگیری شود.

IV. کاربردهای عملی پوشش ابزار در زمینه های معمولی

فناوری پوشش ابزار به طور عمیق در عملکردهای تولید صنایع متعدد نفوذ کرده است و کاربردها در زمینه های مختلف ویژگی های هدفمند متمایزی را نشان می دهد:

(1) ساخت ماشین آلات و ابزارهای سخت افزاری

قسمت های گرفتن آچارهای سخت افزاری به صورت موضعی با کروم سخت آبکاری می شوند، با سختی افزایش یافته به بیش از HV1000، و مقاومت در برابر سایش پنج برابر بیشتر از ابزارهای بدون پوشش است. پس از آبکاری نیکل بر روی نوک پیچ گوشتی ها، مقاومت در برابر خوردگی به طور قابل توجهی افزایش می یابد و عمر مفید در محیط های مرطوب به بیش از 2 سال افزایش می یابد. فناوری آبکاری موضعی کامپوزیت همچنین می تواند به تقویت منطقه عملکردی دست یابد، مانند پوشش های ضد لغزش بر روی دسته ابزار و پوشش های آلیاژی فوق العاده سخت بر روی لبه های برش، برای پاسخگویی به نیازهای سناریوهای استفاده متعدد.

(2) زمینه تجهیزات پزشکی

فناوری آبکاری موضعی ابزارهای جراحی ارزش دقیقی را نشان می دهد: پس از آبکاری آلیاژ تیتانیوم بر روی لبه های برش چاقوهای جراحی، زمان حفظ تیزی سه برابر افزایش می یابد و فرکانس تعویض ابزار در حین جراحی کاهش می یابد. پس از پوشش لایه های اصطکاکی ویژه بر روی فک های فورسپس عروقی، پایداری نگه داشتن سوزن های بخیه 40٪ افزایش می یابد و خطرات جراحی کاهش می یابد. این پوشش ها باید آزمایشات زیست سازگاری را پشت سر بگذارند تا از عدم وجود واکنش های نامطلوب با بافت های انسانی اطمینان حاصل شود.تیغه های توربین موتور هوافضا با پوشش های سرامیکی پاشیده شده با پلاسما پوشانده شده اند، با مقاومت در برابر دمای بالا بیش از 1200 درجه سانتیگراد، که شرایط عملیاتی شدید را برآورده می کند. پس از اعمال پوشش های الماس بر روی لوله های راهنمای سوپاپ موتورهای خودرو، تلفات اصطکاک 60٪ کاهش می یابد و راندمان موتور بهبود می یابد. لوازم جانبی سخت افزاری خودروهای با کیفیت بالا، آبکاری کروم موضعی را با پوشش مات ترکیب می کنند و هم مقاومت در برابر سایش را تضمین می کنند و هم بافت ظاهری را افزایش می دهند.

(4) صنعت الکترونیک و نیمه هادی

قطعات تماسی اتصالات فیبر نوری به صورت موضعی با نقره آبکاری می شوند و مقاومت تماسی را به زیر 0.01 اهم کاهش می دهند و تلفات انتقال سیگنال را 90٪ کاهش می دهند. پس از آبکاری طلا پروب های تست تراشه های نیمه هادی، رسانایی و مقاومت در برابر سایش به طور قابل توجهی بهبود می یابد و قادر به تحمل بیش از 100000 آزمایش درج و استخراج است. این کاربردها الزامات بسیار بالایی برای یکنواختی ضخامت پوشش دارند، با انحرافاتی که باید در ±0.1 میکرومتر کنترل شوند.همانطور که تولید به سمت کیفیت بالا و سبز شدن می رود، فناوری آبکاری ابزار سه جهت توسعه اصلی را نشان می دهد: اول، ارتقاء فرآیندهای سازگار با محیط زیست، با فناوری هایی مانند آبکاری الکتریکی بدون کروم و محلول های آبکاری مبتنی بر آب که به تدریج جایگزین فرآیندهای آلوده کننده سنتی می شوند. دوم، ادغام عملکردی، مانند استفاده از پوشش های ترکیبی "مقاوم در برابر سایش + ضد باکتری" در زمینه پزشکی. سوم، کنترل هوشمند، از طریق اینترنت اشیا برای نظارت بر پارامترهای محلول آبکاری و دستیابی به کنترل بلادرنگ کیفیت پوشش. این روندها آبکاری ابزار را از "عملیات سطحی" به یک "سفارشی سازی عملکرد" عمیق تر سوق می دهد و پشتیبانی قوی تری را برای توسعه تولید با کیفیت بالا فراهم می کند.