PVD涂層在精沖模具上的應(yīng)用綜述

王妮莎　劉瓊

摘要：物理氣相沉積技術(shù)是一種工模具表面強(qiáng)化的新技術(shù)。本文敘述了物理氣相沉積技術(shù)的特性，并就其在精沖模具上的適用性進(jìn)行了評(píng)價(jià)和分析，提出了應(yīng)用中的注意事項(xiàng)，為擴(kuò)大物理氣相沉積技術(shù)在模具上的應(yīng)用開拓了廣闊前景。

關(guān)鍵詞：物理氣相沉積；涂層；精沖模具

前言

近十幾年，在模具表面上，由氣相沉積技術(shù)制備硬質(zhì)化合物涂層的方法，由于技術(shù)上的優(yōu)越性及涂層的良好特性，正引起人們的高度重視。它是今后各種模具、切削工具和精密機(jī)械零件等進(jìn)行表面強(qiáng)化的主要技術(shù)，有著廣泛的應(yīng)用前景。本文對(duì)氣相沉積技術(shù)作一概要介紹，對(duì)其在精沖模具上的應(yīng)用進(jìn)行評(píng)述，并提出精沖模具進(jìn)行PVD表面強(qiáng)化處理的使用條件及注意問題。

1. PVD（物理氣相沉積）法及其特點(diǎn)

PVD法（離子鍍膜）技術(shù)是在真空條件下，采用低電壓、大電流的電弧放電技術(shù)，利用氣體放電使靶材蒸發(fā)，蒸發(fā)物質(zhì)與氣體都被電離，利用電場(chǎng)的加速作用，使蒸發(fā)物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件上，形成一層所需要的固態(tài)薄膜或涂層的技術(shù)，如圖1所示[1]。涂層處理可以增加工件硬度、抗磨力和降低摩擦系數(shù)，從而延長(zhǎng)工件壽命（一般可延長(zhǎng)3～5倍）。目前主要的涂層包括：TiN、TiCN、TiAlN、CrN、AlTiN及DLC等，每種涂層各有其不同的特性和用途。

PVD法的特點(diǎn)之一是沉積溫度低于600℃，它可在工具鋼和模具鋼的高溫回火溫度以下進(jìn)行表面處理，故變形小，最適合尺寸形狀精密的機(jī)械零件；可不改變傳統(tǒng)的制造工藝，僅僅在最終加工后進(jìn)行一次處理。

2.精沖模具使用工況

精沖是指具有反頂、壓邊與小間隙（凸、凹模間隙為普通沖壓的1/10）特點(diǎn)的精密沖壓，其成形件斷面光潔、垂直度和平面度好、精度高（可達(dá)IT6～I(xiàn)T9），往往可直接裝配使用。近年，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展和輕量化趨勢(shì)加劇，許多需經(jīng)拉深、擠壓、鐓粗的異形復(fù)雜件，越來越多采用短流程的高端級(jí)進(jìn)精沖工藝直接成形，由于精沖模具所受的壓力大，凸、凹模間隙非常小，以及精沖過程中的熱效應(yīng)、摩擦力等原因，使精沖模具的壽命很難得到保證，導(dǎo)致模具過早的損壞或報(bào)廢[2]。

同時(shí)，在復(fù)雜件及厚板精沖過程中，由于剪切區(qū)材料的流動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生劇烈的摩擦和高溫，造成凸凹模的磨損及冷焊現(xiàn)象，使模具壽命降低，所以必須對(duì)模具進(jìn)行適當(dāng)?shù)谋砻鎻?qiáng)化處理。PVD處理的最大特點(diǎn)是沉積過程中模具不發(fā)生變形，所以它是尺寸精度要求高的模具或機(jī)械

零件最適宜的表面強(qiáng)化技術(shù)。目前，精沖行業(yè)已經(jīng)越來越多采用PVD涂層技術(shù)鍍TiN和TiAlN涂層，TiN和TiAlN涂層具有優(yōu)異的力學(xué)性能，以及良好的耐磨性、耐腐蝕、紅硬性和熱穩(wěn)定性[2]。

3. PVD涂層在精沖模具上的使用條件及注意事項(xiàng)

為使PVD處理得到穩(wěn)定的效果，精沖模具基體材料的硬度應(yīng)不低于HRC48，否則在使用時(shí)會(huì)造成壓塌現(xiàn)象，基體發(fā)生塑性變形，進(jìn)而引起涂層剝落；且最終處理溫度不得低于360℃，一旦低于此溫度，沉積層性能就惡化，故不能用于低溫回火材料。凡是在熱處理后進(jìn)行表面處理，其處理溫度低于基體的回火溫度。如碳素模具鋼、低合金模具鋼在低溫回火態(tài)使用，不宜采用PVD法處理，因?yàn)樘幚頊囟雀哂诨鼗饻囟龋瑢?dǎo)致基體材料軟化。又如：Cr12MoV鋼只有用高淬高回?zé)崽幚砉に嚕?050℃淬火，520℃回火三次），才能施行PVD處理；而Cr12MoV鋼若用低淬低回?zé)崽幚砉に嚕?80℃淬火，200℃回火）時(shí)，則不能實(shí)施PVD處理。精沖模具上常用于PVD處理的材料有Cr12MoV、SKD11、DC53、SKD61等。

PVD處理應(yīng)用到模具方面，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：①模具的形狀；②基體材料的表面狀況；③沉積溫度和涂層結(jié)合力；④基體材料和涂層的效果；⑤PVD處理的應(yīng)用范圍。在此基礎(chǔ)上決定是否采用[2]。

PVD處理的注意事項(xiàng)：①由于蒸發(fā)物質(zhì)難于沉積到形狀復(fù)雜的凹槽、窄溝和直徑小于3mm的深孔處，因此不易形成涂層。②若在基體表面上形成氧化、腐蝕等變質(zhì)層，將得不到結(jié)合力良好的涂層。③沉積溫度在200℃左右形成的涂層，非常脆弱，結(jié)合力很差而不耐用。為了形成牢固的涂層，必須使沉積溫度在360℃以上。④ 正常處理?xiàng)l件下，涂層結(jié)合力還與基體材料強(qiáng)度有關(guān)，如果在低壓強(qiáng)滑動(dòng)條件下工作，要求提高耐磨性、耐燒傷性和脫模性，基體硬度HRC30已足夠；而工作壓強(qiáng)達(dá)50 kg mm2的滑動(dòng)壓強(qiáng)，基體材料硬度需為HRC50。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)PVD表面強(qiáng)化處理及精沖模具使用工況作了簡(jiǎn)單介紹， 著重總結(jié)了精沖模具進(jìn)行PVD表面強(qiáng)化處理的使用條件及注意問題。希望對(duì)精沖模具工作者在選擇表面強(qiáng)化處理時(shí)有一定幫助， 使模具壽命大大提高， 以促進(jìn)現(xiàn)代加工業(yè)的蓬勃發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]曹美蓉等.PVD涂層技術(shù)在沖壓/成型模具中的應(yīng)用及實(shí)例[J].熱處理技術(shù)與裝備.2010，31（3）：34-38.

[2]張祥林等.高端精沖模具的制造探討[J].塑性工程學(xué)報(bào).2013，20（1）：68-71.

[3]林香祝等.氣相沉積技術(shù)在模具上的應(yīng)用[J].西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，17（4）：408-412.

作者簡(jiǎn)介：王妮莎（1983-），女，湖北襄陽(yáng)人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)镻VD涂層的應(yīng)用。