超声波清洗液对PVD涂层寿命影响的实验分析

郭子铭 林荣川

摘要：作为涂层前处理最重要的一道工序，超声清洗能将涂层产品表面油污、灰尘及氧化杂质清除，保证待镀产品表面清洁，提高膜基结合力。因此，本文研究超声波清洗机以及清洗液更换频次对PVD镀膜的AlCrSiN涂层铣刀的寿命的影响，通过两组对照实验，得出以下结论。第一，进口2CRD200全自动清洗设备比国产九槽清洗机清洗效果好，产品走刀寿命能提高24.09%。第二，使用2周以上的超声波清洗液清洗的刀具测试走刀寿命为2.91m，更换新超声波清洗液清洗的刀具测试走刀寿命为2.73m，频繁更换清洗液（两周一次）对提高产品待镀件清洁度，延长刀具走刀寿命影响不大。

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.

關键词：超声波清洗液;PVD镀膜;刀具寿命

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

中图分类号：V235.1             ;                         文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）20-0068-02

0  引言

随着科学技术的高速发展，超声技术已越来越多地应用于人们的生产和生活的各个领域。从超声测距到超声检验，超声治疗和超声灭菌，广泛应用于工业、农牧业和医疗等各个行业，它已为人们所熟悉。但超声设备在表面处理行业的应用，人们还不够熟悉和了解。超声波可以对涂层工件施加非常巨大的能量，尤其适用于清除牢固地附着在基底上的污垢。然而在某些情况下，不合理使用超声波也会损伤待镀产品性质脆弱的基底材料[1-4]。

物理气相沉积（Physical Vapor Deposition，PVD）是现代制造业中发展迅速的先进制造技术，其涂层薄膜可以有效提高工模具的物理、机械性能和有效寿命。作为PVD涂层前处理中最重要的一道工序，超声清洗能将涂层产品表面油污、灰尘及氧化杂质清除，保证待镀产品表面清洁，提高膜基结合力，从而有效提升产品性能[5]。同时，是否拥有一套专业的清洗线设备是衡量一家涂层企业水平的重要标准[6]。因此，选择高质量的超声清洗设备和研究清洗设备清洗液更换频次对涂层质量至关重要。

1  实验

1.1 涂层制备

采用非平衡磁控溅射离子镀的镀膜技术在YG6硬质合金铣刀，含WC0.4%Co6%，尺寸为D1×9.0mm，制备AlCrSiN涂层，又名二研RRC铣刀，用于加工PCB印制电路板。铣刀用切削试验进行性能测试。所用设备为意大利进口的物理气相沉积设备（型号ICS-S800），采用的靶材为Cr靶（纯度99.9%），两个Al0.6Cr0.4靶（纯度99.9%）以及Ti0.8Si0.2靶（纯度99.9%）。如表1所示，涂层制备前，三组铣刀各10把，进行标记，互相为对照实验组。经过不同的步骤经超声清洗机清洗，烘干，去除表面油渍、水渍和灰尘并等待使用。

涂层制备过程：前处理完成的铣刀基体被装夹到转炉架上一起送入涂层设备，转炉架在设备中转速5Rpm，预抽真空到0.5Pa，将基体加热到450℃，通入氩气（流量200sccm），氩气在辉光放电下电离形成Ar+，Ar+在基体负偏压700V的吸引下刻蚀基体13min，去除基体表面的氧化物，增加基体的粗糙度，目的是为了增加膜基结合力。再把温度加热到480℃，通入氮气（流量250sccm），工作气体达到0.1Pa，在基体偏压为-100V，Cr靶以120A电流工作10min在基体表面形成300nm厚的Cr打底层，为了过渡AlCrSiN膜层和基体的结合，缓和AlCrSiN膜层和基体热膨胀系数差及硬度值差异较大的作用。随后Cr靶和Al0.6Cr0.4靶同时以120A的电流采用基体偏压逐渐降低（100V-60V）的模式在CrN打底层表面沉积形成多层梯度AlCr薄膜，第一层AlCr的沉积时间为30min，每层沉积时间减量为5min，共6层;在相同工作模式下，最后使用Al0.6Cr0.4靶和Ti0.8Si0.2靶在CrN打底层表面沉积多层梯度AlCrSiN薄膜，涂层膜厚为2.0～3.0μm。

1.2 铣削实验

涂层铣刀铣削实验在金鹭的恩德PR-2228/S4上进行，被加工工件的材料为PCB覆铜板iT158材料，叠板层数为6层，高度为6mm，加工线路是Q-0.1。实验中，切削方式为槽铣，铣刀表面的涂层分别为无洗AlCrSiN涂层、脏水洗AlCrSiN涂層和清水洗AlCrSiN涂层，主轴转速为42KRPM，下刀速度0.3m/min，退刀速度10m/min，行刀速度4m/min对应主轴两组1和2。当铣削过程中发出尖锐的噪声且伴随较多火花时，停止铣削，进行检验，根据ISO 标准，若铣刀后刀面磨损VB=1/2ap≥25%μm或者崩刃，则认定该铣刀已达刀具使用寿命，将其从刀柄上卸下，采用基恩士VHX-5000超景深三维视频显微镜测量并分析后刀面的磨损情况。

2  结果与分析

在铣削实验中，被加工件为PCB印制电路版的覆铜板iT158材料，AlCrSiN涂层铣刀进行铣削实验。当走刀距离在1.53m之后，未洗的铣刀后刀面涂层出现轻微磨损脱落，但是涂层未被磨穿，铣刀基体未暴露。涂层铣刀达到自身寿命后断裂。

随着走刀距离的增加，在1.98m左右时（图1（a）），涂层铣刀四周出现较多火花，铣刀后刀面磨损宽度为18.02μm，达到磨钝标准，涂层被磨穿，铣刀基体显露。脏水超声清洗涂层铣刀在进行铣削时，当走刀距离在2.58m，铣刀后刀面磨损为轻微的磨粒磨损;走刀距离进一步增加至3.11m左右时，铣刀后刀面磨损宽度为15.35μm（图1（b）），达到磨钝标准。清水超声清洗涂层铣刀在进行铣削时，当走刀距离在2.14m，铣刀涂层开始磨损脱落;走刀距离至2.63m左右时，铣刀后刀面磨损宽度为20.19μm，达到磨钝标准（图1（c））。

可见，清水超声清洗和脏水超声清洗再次经过2CRD200清洗机超声清洗可减轻铣刀上AlCrSiN涂层的磨粒磨损，提高铣刀的使用寿命。但是频繁更换清洗液，也就是清水相对于脏水，并没有提高铣刀的使用寿命。

通过分析比较不同超声波清洗处理步骤铣刀的使用寿命情况。结果发现，脏水超声波清洗处理涂层铣刀走刀距离最长寿命最高可达3.11m（平均2.91m左右），平均寿命是无洗处理涂层的1.32倍，寿命提高了32.27%;清水处理涂层铣刀走刀距离平均为2.73m左右，相对与无洗涂层寿命提高了24.09%。可见，进口2CRD200清洗设备比国产九槽清洗机清洗效果好，无论是脏水还是清水再一次经过2CRD200清洗设备超声清洗产品走刀寿命都能显著提高。

3  结论

第一，进口2CRD200清洗设备比国产九槽清洗机清洗效果更优，无论是脏水还是清水再一次经过2CRD200清洗设备超声清洗产品走刀寿命都能显著提高，分别提高32.27%和24.09%。

第二，使用2周以上的超声波清洗液清洗的刀具测试走刀寿命为2.91m，更换新超声波清洗液清洗的刀具测试走刀寿命为2.73m，频繁更换清洗液（两周一次）对提高产品待镀件清洁度，延长刀具走刀寿命影响不大。

参考文献：

[1]李雅莉.超声波清洗的原理和实际应用[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]吴强，孔瑜.自适应超声波清洗机[J].金属制品，2013，39（05）：48-50.

[4]张逢瑞.超声波清洗设备控制系统的设计与实现[D].华中科技大学，2013.

[5]张而耕，朱州，周琼.PVD涂层高速钢微钻用于铝合金钻削性能研究[J].南京理工大学学报，2016，40（03）：348-353.

[6]柳琪，王进，王小连，周鹏，孙树峰.PVD涂层工业化应用及发展现状[J].铸造技术，2018，39（02）：440-444.