PVD離子鍍膜涂層技術在沖壓/成型模具中的應用及實例
發布時間：2021-01-22
伴隨著現代汽車和制造加工業的高速發展，近年來沖壓/成型模具水漲船高，延長模具使用壽命成為模具制造商的一個重要課題。沖壓成型模表面失效形式有腐蝕、磨損、變形、開裂等。為避免模具過早失效，模具型腔及相對運動件表面必須具有高硬度及自潤性。以達到耐磨、減磨、耐蝕及抗疲勞的作用。PVD離子鍍膜是目前真空鍍膜技術中最新、最先進的表面工程技術之一，它具有以下優點：
(1)入射粒子能量高，與基體的結合強度大，膜層致密，耐久性好，膜層硬度高(氮化鈦膜顯微硬度達2000HV以上)，耐磨性好(用于刀具表面強化，壽命可提高3-10倍)，耐蝕性好。與其他表面處理工藝結合使用效果更佳，如在A3鋼基體上先鍍過渡層后再鍍黑色氮鈦膜，耐磨性和耐蝕性均大幅度提高；
(2)可鍍基材廣泛，可同時在不同金屬材料的表面成膜，膜層的顏色均勻一致，成膜溫度低(幾乎可在常溫下生成薄膜)、而膜層的熱穩定性好(600℃時膜層不脫落，不起皮)；
(3)用離子鍍膜工藝鍍制的黑色氮鈦膜對光的吸收率達90％以上，隱蔽性好，鍍膜過程無環境污染，因此應用十分廣泛；
PVD鍍膜(離子鍍膜)技術的具體原理是，在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術，利用氣體放電使靶材蒸發，蒸發物質與氣體都被電離，利用電場的加速作用，使蒸發物質及其反應產物沉積在工件上，如圖1所示。與真空蒸發鍍膜，真空濺射鍍膜相比較，PVD離子鍍膜具有如下優點：(1)膜層與工件表面的結合力強，更加持久和耐磨；(2)離子的繞射性能好，能夠鍍形狀復雜的工件；(3)膜層沉積速率快，生產效率高；(4)可鍍膜層種類廣泛；(5)膜層性能穩定、安全性高。
PVD技術主要適用于刀具(如銑刀、車刀、刀片和鉆頭等)、模具(如沖壓、拉伸、成型、鐘表外殼模具)及精密零配件等。涂層處理可以增加工件硬度、抗磨力和降低摩擦系數，從而延長工件壽命(一般可延長3-10倍)。目前主要的涂層包括：TiN、TiCN、TiAlN、CrN、TiCN-MP、TiAlCN、AlTiN、TiN及CBC(DLC)等，每種涂層各有其不同的特性和用途。雖然傳統硬化工藝如表面滲氮、碳氮共滲、電鍍硬鉻或鎳等技術也能使工件表面變硬，例如在模具淬火后進行表面滲氮或碳氮化物，都能在低于回火溫度下實現1000HV以上的表面硬度，同時提高表面的抗腐蝕、耐磨和抗龜裂等特性，并降低摩擦系數。但是，這些模具無法承受高溫壓鑄的工況，因此不適宜用于鋼、鋁等材料的壓鑄加工。至于電鍍硬鉻或鎳，因其抗疲勞性較差，一旦失效就會出現龜裂現象。改善的方法之一是加厚鍍層，但卻會使鍍層的附著力降低，同時使表面精度及粗糙度下降。PVD則不存在以上弊病。
2.1 沖壓/成型模具磨損方式
沖壓是大批量零件成型生產實用工藝之一。在沖壓生產過程中，模具出現的問題最多，它是整個沖壓生產要素中最重要的因素。直接影響到生產效率和成本。影響到產品的交貨周期。模具問題主要集中在模具損壞、產品質量缺陷和模具的刃磨等，它們長期困擾著行業生產。模具損壞是指模具開裂、折斷、漲開等。
在模具的使用過程中，早期失效經常出現。失效的因素通常是磨損、腐蝕、融合、粘著等。其問題不單是拖延生產周期，也大大增加了生產成本，進而影響企業競爭力。為此，業界陸續推出不同的解決方案，而PVD涂層表面處理技術是倍受青睞的方案，能最有效地解決上述難題。
PVD涂層技術可以廣泛應用于各類磨損、咬合、腐蝕、粘著、融合等引起失效的工具、模具、機械零件、醫療器械等。其中，因磨損引起失效的產品(如：沖裁、冷鐓、粉末成型等模具)，加涂層后可提高壽命2—20倍以上；因咬合引起產品或模具的拉傷問題(如：引伸模、拉伸模、翻邊模等)，加涂層后可以從根本上予以解決。
2.3.1 沖壓模具
五金沖壓通過剪切的原理，把五金薄片沖成不同形狀。根據其加工過程，磨損、塑性變形、崩角都是其破壞的機理，所以最理想的沖壓模具必須同時擁有高硬度和高韌性。硬度高確保抗磨損性能好，韌性好代表抗崩角性能好。基于模具鋼物理性能的限制，例如常用的D2材料，硬度不能超過62HRC。因此采用PVD涂層是提高表面抗磨損的最好辦法，例如氮化鈦PVD涂層表面硬度可達到85HRC，對解決磨損有直接的幫助。不過，塑性變形還需要基體的硬度來承擔。沖棒是沖壓常用的模具，一般采用MET-TiN涂層。采用PVD技術對SKD11沖壓模具進行TiCN(碳氮化鈦)涂層，可以提高模具壽命5倍以上，同時解決模具、產品拉傷問題，對經PVDTi/TiN處理的模具進行了實際應用試驗，該冷沖模具實際使用壽命由原來約2500次增加到6650次，即模具實際使用壽命提高了兩倍多。而且從模具磨損后的失效形貌發現磨損部分為光滑的表面，屬于逐漸磨損，沒有出現涂層剝落的痕跡。在Crl2MoV鋼上沉積Ti/TiN涂層能顯著地提高Crl2MoV鋼的表面硬度及承載能力。而且，先進行低溫等離子滲氮的雙重處理更能改善涂層.基體的結合條件，顯著提高涂層與基體的結合強度，這歸因于Ti/TiN涂層強化和韌化的作用，以及中間滲氮層的強化作用。
2.3.2 成型模具
良好的五金拉伸模具要求硬度高，兼有潤滑性能良好的表面。一般的冷作鋼可以達到62HRC，但鋼材表面潤滑度低，PVD涂層可以滿足這兩方面的要求。MET-TiCN是很好的拉伸涂層，其硬度可達到3700HV，但摩擦系數可低于0.2。
+NTX-AC涂層具有很好的高溫紅硬性，抗磨損能力強，能夠提高抗沖蝕效果；
+NTX-AC涂層具有很好的韌性，不易開裂，能減少壓鑄模具的熱裂紋產生；
+NTX-AC涂層具有很好表面光潔度，有效防止粘附的產生；
3、結束語
PVD涂層技術具有非常優良的性能，所以越來越受到人們的重視。通過幾年的推廣，已應用到產品表面黑化處理、機加工刀具、車輛的零件，光學器材，飛行器的多類產品的零部件，如軸承、攝影器件、渦輪葉片等。用途和功能繁多，作用和目的不一，效果令人滿意。通過實例可以看出，多弧離子鍍膜技術已在模具業獲得了成功應用，收效顯著。今后，隨著對此工藝的深人研究，它的應用必將越來越廣，作用越來越明顯，所以前景十分廣闊。
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