PVD涂层在精冲模具上的应用综述

王妮莎　刘琼

摘要：物理气相沉积技术是一种工模具表面强化的新技术。本文叙述了物理气相沉积技术的特性，并就其在精冲模具上的适用性进行了评价和分析，提出了应用中的注意事项，为扩大物理气相沉积技术在模具上的应用开拓了广阔前景。

关键词：物理气相沉积；涂层；精冲模具

前言

近十几年，在模具表面上，由气相沉积技术制备硬质化合物涂层的方法，由于技术上的优越性及涂层的良好特性，正引起人们的高度重视。它是今后各种模具、切削工具和精密机械零件等进行表面强化的主要技术，有着广泛的应用前景。本文对气相沉积技术作一概要介绍，对其在精冲模具上的应用进行评述，并提出精冲模具进行PVD表面强化处理的使用条件及注意问题。

1. PVD（物理气相沉积）法及其特点

PVD法（离子镀膜）技术是在真空条件下，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，形成一层所需要的固态薄膜或涂层的技术，如图1所示[1]。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3～5倍）。目前主要的涂层包括：TiN、TiCN、TiAlN、CrN、AlTiN及DLC等，每种涂层各有其不同的特性和用途。

PVD法的特点之一是沉积温度低于600℃，它可在工具钢和模具钢的高温回火温度以下进行表面处理，故变形小，最适合尺寸形状精密的机械零件；可不改变传统的制造工艺，仅仅在最终加工后进行一次处理。

2.精冲模具使用工况

精冲是指具有反顶、压边与小间隙（凸、凹模间隙为普通冲压的1/10）特点的精密冲压，其成形件断面光洁、垂直度和平面度好、精度高（可达IT6～IT9），往往可直接装配使用。近年，随着我国汽车工业的发展和轻量化趋势加剧，许多需经拉深、挤压、镦粗的异形复杂件，越来越多采用短流程的高端级进精冲工艺直接成形，由于精冲模具所受的压力大，凸、凹模间隙非常小，以及精冲过程中的热效应、摩擦力等原因，使精冲模具的寿命很难得到保证，导致模具过早的损坏或报废[2]。

同时，在复杂件及厚板精冲过程中，由于剪切区材料的流动，会产生剧烈的摩擦和高温，造成凸凹模的磨损及冷焊现象，使模具寿命降低，所以必须对模具进行适当的表面强化处理。PVD处理的最大特点是沉积过程中模具不发生变形，所以它是尺寸精度要求高的模具或机械

零件最适宜的表面强化技术。目前，精冲行业已经越来越多采用PVD涂层技术镀TiN和TiAlN涂层，TiN和TiAlN涂层具有优异的力学性能，以及良好的耐磨性、耐腐蚀、红硬性和热稳定性[2]。

3. PVD涂层在精冲模具上的使用条件及注意事项

为使PVD处理得到稳定的效果，精冲模具基体材料的硬度应不低于HRC48，否则在使用时会造成压塌现象，基体发生塑性变形，进而引起涂层剥落；且最终处理温度不得低于360℃，一旦低于此温度，沉积层性能就恶化，故不能用于低温回火材料。凡是在热处理后进行表面处理，其处理温度低于基体的回火温度。如碳素模具钢、低合金模具钢在低温回火态使用，不宜采用PVD法处理，因为处理温度高于回火温度，将导致基体材料软化。又如：Cr12MoV钢只有用高淬高回热处理工艺（1050℃淬火，520℃回火三次），才能施行PVD处理；而Cr12MoV钢若用低淬低回热处理工艺（980℃淬火，200℃回火）时，则不能实施PVD处理。精冲模具上常用于PVD处理的材料有Cr12MoV、SKD11、DC53、SKD61等。

PVD处理应用到模具方面，应考虑以下几点：①模具的形状；②基体材料的表面状况；③沉积温度和涂层结合力；④基体材料和涂层的效果；⑤PVD处理的应用范围。在此基础上决定是否采用[2]。

PVD处理的注意事项：①由于蒸发物质难于沉积到形状复杂的凹槽、窄沟和直径小于3mm的深孔处，因此不易形成涂层。②若在基体表面上形成氧化、腐蚀等变质层，将得不到结合力良好的涂层。③沉积温度在200℃左右形成的涂层，非常脆弱，结合力很差而不耐用。为了形成牢固的涂层，必须使沉积温度在360℃以上。④ 正常处理条件下，涂层结合力还与基体材料强度有关，如果在低压强滑动条件下工作，要求提高耐磨性、耐烧伤性和脱模性，基体硬度HRC30已足够；而工作压强达50 kg mm2的滑动压强，基体材料硬度需为HRC50。

4.结束语

本文对PVD表面强化处理及精冲模具使用工况作了简单介绍， 着重总结了精冲模具进行PVD表面强化处理的使用条件及注意问题。希望对精冲模具工作者在选择表面强化处理时有一定帮助， 使模具寿命大大提高， 以促进现代加工业的蓬勃发展。

参考文献：

[1]曹美蓉等.PVD涂层技术在冲压/成型模具中的应用及实例[J].热处理技术与装备.2010，31（3）：34-38.

[2]张祥林等.高端精冲模具的制造探讨[J].塑性工程学报.2013，20（1）：68-71.

[3]林香祝等.气相沉积技术在模具上的应用[J].西安理工大学学报，2001，17（4）：408-412.

作者简介：王妮莎（1983-），女，湖北襄阳人，工程师，学士，主要研究方向为PVD涂层的应用。