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PVD离子镀膜涂层技术在冲压/成型模具中的应用及实例

发布时间: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;
    (4)零件经PVD涂层处理后,寿命和生产效率都能够增加3-10倍。特别是一些精密工具,经处理后更能承受涂层前不可能承受的严酷加工条件。
 
    1、PVD涂层技术
 
    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、PVD涂层技术在现代模具工业中的应用及实例
 
    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。
    2.2 PVD涂层技术针对冲压/成型模具的解决方案
    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 PVD涂层技术对冲压/成型模具的应用及实例
    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。
    北京丹普表面技术有限公司NTX、SINX、SINOX系列涂层,其成绩尤为突出。NTX-AC涂层具对于改善压铸模具寿命的作用如下:
    +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;
    +NTX-AC涂层具有很好的高温化学稳定性,不与金属溶液反应,有效防止合金化的产生;
 
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    3、结束语
 
    PVD涂层技术具有非常优良的性能,所以越来越受到人们的重视。通过几年的推广,已应用到产品表面黑化处理、机加工刀具、车辆的零件,光学器材,飞行器的多类产品的零部件,如轴承、摄影器件、涡轮叶片等。用途和功能繁多,作用和目的不一,效果令人满意。通过实例可以看出,多弧离子镀膜技术已在模具业获得了成功应用,收效显著。今后,随着对此工艺的深人研究,它的应用必将越来越广,作用越来越明显,所以前景十分广阔。
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