复合涂层在高强钢冲压模具上的应用

文/王万祥，朱清，洪健成·金鸿顺机械工业有限公司模具部

复合涂层在高强钢冲压模具上的应用

文/王万祥，朱清，洪健成·金鸿顺机械工业有限公司模具部

通过多种表面处理方法的尝试比较，在同样成本、同样周期条件下采用复合涂层PVD处理技术比采用TD技术更能延长模具寿命，特别是高强和超高强度钢板的成形模具。

目前，在车身轻量化的趋势下，采用高强超高强钢板冲压车身零部件日益增多。对于延长冲压模具寿命，也出现了多种途径和方法，如图所1示，与模具寿命关联的主要因素有模具的结构设计、模具材料选择、材料的热处理方式、模具加工制造工艺等等。从成本、质量、周期等方面比较，表面选择复合涂层PVD处理是一个比较理想的有效途径。模具在工作中除了要求基体有合理配置下足够高的强度和韧性外，其表面性能对工作性能及使用寿命也至关重要。表面性能，包括：耐磨损性能，主要指模具在设计寿命期内，能够保证零件尺寸、公差、精度的能力；耐腐蚀性能，主要指模具在设计寿命期内能够抵抗酸、碱、盐等有害气体侵蚀的能力；耐疲劳性能，能够持续保证模具稳定正常生产的能力。表面性能的提高单纯依靠基体材料本身非常有限，也很不经济。但通过表面处理技术，可以收到事半功倍的效果，这也正是表面技术得以快速发展的主要原因。

模具表面处理技术特点

图1 影响模具寿命主要关联因素

模具的表面处理技术，是通过表面的涂覆、表面改性或复合处理技术改变模具表面形态、化学成分、组织结构和应力状态，来获得表面形态的系统工程。表面处理方法，可分为化学方法、物理方法、物理化学方法。虽然提高模具表面性能的技术不断涌现，但在模具表面涂层处理中通过多种涂层比较，应用最多的还是Dura(PN+PVD)。Dura(PN+PVD)技术，也叫复合的涂层技术。

Dura(PN+PVD)技术具有的特点，包括以下7方面：

⑴特殊的基材加PN硬支撑层与PVD涂层的复合结构。

⑵低温处理不会变形，也适用于补焊模具。

⑶能确保PN层和PVD涂层的优越结合。

⑷复合涂层技术可解决热处理不能解决的模具钢本身同时拥有的高韧性和高硬度的矛盾。

⑸10多种PN+PVD涂层工艺的选择，能满足不同模具加工的需要。

⑹已经做过PVD、TD处理的模具仍旧可以做PN+PVD处理。

⑺模具可以重复涂层，延长模具寿命。

PN+PVD涂层前对模具状态的要求

⑴对模具材料的要求。建议使用进口的SKD11（凸凹模常用材料）涂镀，或者硬质合金钢、高速钢、预硬钢、热作模具钢也可以。其中，工具钢、冷作模具钢需要进行做500℃高温回火处理。

⑵对形状外观的要求。可做的模具最大尺寸为600mm×400mm×200mm，孔径与孔深比和槽深与槽宽比应大于1:1；模具之冷却水口、进胶口、螺丝孔不能有残余胶料；模具不能有镶嵌、螺帽、碰伤和毛边；模具表面必须经过精细的研磨或抛光处理，冲压模具Ra小于0.05μm，模具工作面Ra小于0.02μm；焊接模具或补焊模具必须经过去应力处理，焊料不能含有锌、镉等熔点物质；模具上必须有可供挂、吊用的孔和台阶。

11种PN+PVD复合涂层的物理性能和各自的应用领域

11种PN＋PVD复合涂层的物理性能和各自的应用领域，见表1。

现代多种表面技术的比较

对目前应用的多种表面技术进行比较，见表2。

复合涂层PVD模具与TD模具冲次寿命的比较

如图2所示，法兰板落料模一次TD处理的使用寿命多年来一直在5000件/次左右，还有因变形抓取型面反复修改问题。后改用单层PVD处理，平均一次处理后可连续冲压5万件。采用复合PVD后，模具已经冲裁了10万次，刃口尺寸和公差还能满足冲压制件的要求。如图3所示，壳体拉伸模一次TD处理的使用寿命多年来一直徘徊在20万件/月左右，后来改用复合PVD处理，目前已经连续冲压30万件，模具仍在正常使用中。复合涂层PVD模具与TD模具的寿命对比，见表3。

表1 11种PN+PVD复合涂层的物理性能和各自的应用领域

表2 现代多种表面技术的比较

图2 法兰板落料模与法兰板产品

图3 壳体拉伸模与后壳体产品

模具表面强化处理工艺的应用中，最关键的是表面处理前的热处理和精加工。其中，模具工作面的粗糙度需要达到镜面效果。并且放置在真空状态中,模具处理温度应保持在300～600℃的范围中。工艺优点是处理温度低，无变形及尺寸变化。工艺缺点是受设备条件制约，对工件尺寸有限制，附着力和基体强度不适用铸铁。

表3 复合涂层PVD模具与TD模具的寿命对比

复合PVD工艺流程

复合PVD工艺流程：收货→IQC检查→超声波清洗→精抛光→入库排炉→领料→上洗盘→预清洗→前处理→正常洗→MQC检查→包邦上挂→上台车→等离子氮化→PVD涂层→下挂→出货→OQC检查→入库包装→出库发运。

结束语

复合涂层技术在国内还处在尝试阶段，从初步应用的效果和范围来看有光明的前景，尤其对中小钢板模具的寿命有倍增的提高作用。如果扩大涂层设备的使用空间，提高设备的扩容性能（达到中等模具需要的空间500mm×1200mm×800mm），其经济和社会效益会更加明显。