PVD涂層技術在熱沖壓沖頭上的應用

王春暉

摘 要：通過將沖頭PVD涂層處理，增強沖頭的耐磨性、耐熱性，抗氧化性；并且本文試驗驗證了經涂層處理的沖頭在熱沖壓過程中可以提高使用壽命、降低加工成本，提高生產效率。

關鍵詞：熱沖壓；PVD涂層；耐磨性；抗氧化性；提高使用壽命；降低加工成本

0 引言

PVD是Physical Vapor Deposition（物理氣相沉積）的縮寫，是指在真空或低氣壓氣體放電條件下，固態物質經過“蒸發或濺射”后，在零件表面生成與基材性能完全不同的新的固態物質涂層。PVD涂層技術出現于20世紀70年代末，制備的薄膜具有高硬度、低摩擦系數、很好的耐磨性和化學穩定性等優點，并且PVD工藝對環境無不利影響，符合現代綠色制造的發展方向。目前PVD涂層技術在中國還處于剛剛起步階段，近兩三年來一些國際性的公司先后在國內建立了涂層中心，PVD涂層技術也相繼應用于各種刀具及模具的涂層處理。

沖頭進行沖孔加工時，沖頭與工件接觸的部位易被氧化；同時，在沖壓過程中沖頭與工件之間產生摩擦，沖頭表面黏著碎屑，增大了沖頭表面的摩擦系數，以此加快了沖頭的磨損速度。為了提高沖頭的使用壽命、降低加工成本，需要提高沖頭的耐磨性、耐熱性及抗氧化性，所以嘗試將沖頭進行PVD涂層處理，通過試驗使用驗證PVD涂層對刀具性能及使用壽命的影響。

1 沖頭加工條件

沖頭的熱沖壓過程：沖頭以7.3S的節拍對800℃高溫工件進行沖孔加工。沖壓過程中失效原因有黏著磨損、崩角、塑性變形、表面疲勞/模具開裂等，結合實際使用情況，通常沖頭失效主要原因是黏著磨損。

2 PVD涂層介紹及選用

典型的PVD涂層加工溫度在250～450℃之間，但有些情況下依據應用領域和涂層的質量，PVD涂層溫度可低于70℃或高于600℃進行涂層。

PVD涂層主要工藝：IQC（In Quality Control）→前處理工藝→PVD→FQC。

（1）IQC（In Quality Control）：清點數量、檢查圖紙與實物是否一致、刃口位置有無裂紋等。

（2）前處理工藝的主要目的是凈化或粗化工件表面，主要方法有高溫蒸洗、清洗、噴砂、打磨、拋光等。

（3）PVD涂層工藝包括加熱、離子清洗、涂層、冷卻。

（4）FQC（Function Quality Control）功能質量控制，主要內容包括外觀檢查、層深檢查、附著力檢查、耐磨性檢查、抗蝕性檢查、模擬性檢查等方法。

涂層類型有TiN、TiAlN、TiCN以及納米復合涂層等，涂層厚度一般0.3～5μm（具體參數見表1）。

結合沖頭加工條件，綜合考慮涂層厚度、硬度、最高使用溫度，最終選定的PVD涂層類型是AlTiCrN。

3 未涂層沖頭使用壽命統計

以某一型號沖頭為例進行涂層處理和試驗驗證。排除異常情況，統計10件正常使用的沖頭的使用壽命（從沖頭開始使用至廢棄），未涂層沖頭的平均使用壽命是9597件，單價是310元，加工成本是0.03元/件。

4 涂層沖頭試驗使用壽命統計

制定相應的試驗計劃，將涂層處理過的10件沖頭（以下稱涂層沖頭）投入使用并跟蹤確認使用壽命，涂層沖頭的平均使用壽命是20008件，單價是370元，加工成本是0.02元/件。

5 試驗效果總結

綜合以上，經涂層處理后，沖頭使用壽命提高1倍，加工成本降低1/3，見圖表1。

6 結論

將沖頭經過PVD涂層處理，可以減小沖頭的表面粗糙度，增加沖頭耐磨性、耐熱性和抗氧化性，通過本文試驗使用驗證，PVD涂層可以增加沖頭的使用壽命、降低加工成本，在使用中可以減少沖頭更換的次數，節省更換時間，提高生產效率，為之后的批量使用奠定了基礎。

參考文獻

[1]戴達煌.薄膜與涂層現代表面技術[M].中南大學出版社，2008.

（作者單位：蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司）