PVD离子镀膜涂层技术在冲压/成型模具中的应用及实例
2021-01-22
伴随着现代汽车和制造加工业的高速发展，近年来冲压/成型模具水涨船高，延长模具使用寿命成为模具制造商的一个重要课题。冲压成型模表面失效形式有腐蚀、磨损、变形、开裂等。为避免模具过早失效，模具型腔及相对运动件表面必须具有高硬度及自润性。以达到耐磨、减磨、耐蚀及抗疲劳的作用。PVD离子镀膜是目前真空镀膜技术中最新、最先进的表面工程技术之一，它具有以下优点：
(1)入射粒子能量高，与基体的结合强度大，膜层致密，耐久性好，膜层硬度高(氮化钛膜显微硬度达2000HV以上)，耐磨性好(用于刀具表面强化，寿命可提高3-10倍)，耐蚀性好。与其他表面处理工艺结合使用效果更佳，如在A3钢基体上先镀过渡层后再镀黑色氮钛膜，耐磨性和耐蚀性均大幅度提高；
(2)可镀基材广泛，可同时在不同金属材料的表面成膜，膜层的颜色均匀一致，成膜温度低(几乎可在常温下生成薄膜)、而膜层的热稳定性好(600℃时膜层不脱落，不起皮)；
(3)用离子镀膜工艺镀制的黑色氮钛膜对光的吸收率达90％以上，隐蔽性好，镀膜过程无环境污染，因此应用十分广泛；
PVD镀膜(离子镀膜)技术的具体原理是，在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发，蒸发物质与气体都被电离，利用电场的加速作用，使蒸发物质及其反应产物沉积在工件上，如图1所示。与真空蒸发镀膜，真空溅射镀膜相比较，PVD离子镀膜具有如下优点：(1)膜层与工件表面的结合力强，更加持久和耐磨；(2)离子的绕射性能好，能够镀形状复杂的工件；(3)膜层沉积速率快，生产效率高；(4)可镀膜层种类广泛；(5)膜层性能稳定、安全性高。
PVD技术主要适用于刀具(如铣刀、车刀、刀片和钻头等)、模具(如冲压、拉伸、成型、钟表外壳模具)及精密零配件等。涂层处理可以增加工件硬度、抗磨力和降低摩擦系数，从而延长工件寿命(一般可延长3-10倍)。目前主要的涂层包括：TiN、TiCN、TiAlN、CrN、TiCN-MP、TiAlCN、AlTiN、TiN及CBC(DLC)等，每种涂层各有其不同的特性和用途。虽然传统硬化工艺如表面渗氮、碳氮共渗、电镀硬铬或镍等技术也能使工件表面变硬，例如在模具淬火后进行表面渗氮或碳氮化物，都能在低于回火温度下实现1000HV以上的表面硬度，同时提高表面的抗腐蚀、耐磨和抗龟裂等特性，并降低摩擦系数。但是，这些模具无法承受高温压铸的工况，因此不适宜用于钢、铝等材料的压铸加工。至于电镀硬铬或镍，因其抗疲劳性较差，一旦失效就会出现龟裂现象。改善的方法之一是加厚镀层，但却会使镀层的附着力降低，同时使表面精度及粗糙度下降。PVD则不存在以上弊病。
2.1 冲压/成型模具磨损方式
冲压是大批量零件成型生产实用工艺之一。在冲压生产过程中，模具出现的问题最多，它是整个冲压生产要素中最重要的因素。直接影响到生产效率和成本。影响到产品的交货周期。模具问题主要集中在模具损坏、产品质量缺陷和模具的刃磨等，它们长期困扰着行业生产。模具损坏是指模具开裂、折断、涨开等。
在模具的使用过程中，早期失效经常出现。失效的因素通常是磨损、腐蚀、融合、粘着等。其问题不单是拖延生产周期，也大大增加了生产成本，进而影响企业竞争力。为此，业界陆续推出不同的解决方案，而PVD涂层表面处理技术是倍受青睐的方案，能最有效地解决上述难题。
PVD涂层技术可以广泛应用于各类磨损、咬合、腐蚀、粘着、融合等引起失效的工具、模具、机械零件、医疗器械等。其中，因磨损引起失效的产品(如：冲裁、冷镦、粉末成型等模具)，加涂层后可提高寿命2—20倍以上；因咬合引起产品或模具的拉伤问题(如：引伸模、拉伸模、翻边模等)，加涂层后可以从根本上予以解决。
2.3.1 冲压模具
五金冲压通过剪切的原理，把五金薄片冲成不同形状。根据其加工过程，磨损、塑性变形、崩角都是其破坏的机理，所以最理想的冲压模具必须同时拥有高硬度和高韧性。硬度高确保抗磨损性能好，韧性好代表抗崩角性能好。基于模具钢物理性能的限制，例如常用的D2材料，硬度不能超过62HRC。因此采用PVD涂层是提高表面抗磨损的最好办法，例如氮化钛PVD涂层表面硬度可达到85HRC，对解决磨损有直接的帮助。不过，塑性变形还需要基体的硬度来承担。冲棒是冲压常用的模具，一般采用MET-TiN涂层。采用PVD技术对SKD11冲压模具进行TiCN(碳氮化钛)涂层，可以提高模具寿命5倍以上，同时解决模具、产品拉伤问题，对经PVDTi/TiN处理的模具进行了实际应用试验，该冷冲模具实际使用寿命由原来约2500次增加到6650次，即模具实际使用寿命提高了两倍多。而且从模具磨损后的失效形貌发现磨损部分为光滑的表面，属于逐渐磨损，没有出现涂层剥落的痕迹。在Crl2MoV钢上沉积Ti/TiN涂层能显著地提高Crl2MoV钢的表面硬度及承载能力。而且，先进行低温等离子渗氮的双重处理更能改善涂层.基体的结合条件，显著提高涂层与基体的结合强度，这归因于Ti/TiN涂层强化和韧化的作用，以及中间渗氮层的强化作用。
2.3.2 成型模具
良好的五金拉伸模具要求硬度高，兼有润滑性能良好的表面。一般的冷作钢可以达到62HRC，但钢材表面润滑度低，PVD涂层可以满足这两方面的要求。MET-TiCN是很好的拉伸涂层，其硬度可达到3700HV，但摩擦系数可低于0.2。
+NTX-AC涂层具有很好的高温红硬性，抗磨损能力强，能够提高抗冲蚀效果；
+NTX-AC涂层具有很好的韧性，不易开裂，能减少压铸模具的热裂纹产生；
+NTX-AC涂层具有很好表面光洁度，有效防止粘附的产生；
3、结束语