PVD涂层技术在热冲压冲头上的应用

王春晖

摘 要：通过将冲头PVD涂层处理，增强冲头的耐磨性、耐热性，抗氧化性；并且本文试验验证了经涂层处理的冲头在热冲压过程中可以提高使用寿命、降低加工成本，提高生产效率。

关键词：热冲压；PVD涂层；耐磨性；抗氧化性；提高使用寿命；降低加工成本

0 引言

PVD是Physical Vapor Deposition（物理气相沉积）的缩写，是指在真空或低气压气体放电条件下，固态物质经过“蒸发或溅射”后，在零件表面生成与基材性能完全不同的新的固态物质涂层。PVD涂层技术出现于20世纪70年代末，制备的薄膜具有高硬度、低摩擦系数、很好的耐磨性和化学稳定性等优点，并且PVD工艺对环境无不利影响，符合现代绿色制造的发展方向。目前PVD涂层技术在中国还处于刚刚起步阶段，近两三年来一些国际性的公司先后在国内建立了涂层中心，PVD涂层技术也相继应用于各种刀具及模具的涂层处理。

冲头进行冲孔加工时，冲头与工件接触的部位易被氧化；同时，在冲压过程中冲头与工件之间产生摩擦，冲头表面黏着碎屑，增大了冲头表面的摩擦系数，以此加快了冲头的磨损速度。为了提高冲头的使用寿命、降低加工成本，需要提高冲头的耐磨性、耐热性及抗氧化性，所以尝试将冲头进行PVD涂层处理，通过试验使用验证PVD涂层对刀具性能及使用寿命的影响。

1 冲头加工条件

冲头的热冲压过程：冲头以7.3S的节拍对800℃高温工件进行冲孔加工。冲压过程中失效原因有黏着磨损、崩角、塑性变形、表面疲劳/模具开裂等，结合实际使用情况，通常冲头失效主要原因是黏着磨损。

2 PVD涂层介绍及选用

典型的PVD涂层加工温度在250～450℃之间，但有些情况下依据应用领域和涂层的质量，PVD涂层温度可低于70℃或高于600℃进行涂层。

PVD涂层主要工艺：IQC（In Quality Control）→前处理工艺→PVD→FQC。

（1）IQC（In Quality Control）：清点数量、检查图纸与实物是否一致、刃口位置有无裂纹等。

（2）前处理工艺的主要目的是净化或粗化工件表面，主要方法有高温蒸洗、清洗、喷砂、打磨、抛光等。

（3）PVD涂层工艺包括加热、离子清洗、涂层、冷却。

（4）FQC（Function Quality Control）功能质量控制，主要内容包括外观检查、层深检查、附着力检查、耐磨性检查、抗蚀性检查、模拟性检查等方法。

涂层类型有TiN、TiAlN、TiCN以及纳米复合涂层等，涂层厚度一般0.3～5μm（具体参数见表1）。

结合冲头加工条件，综合考虑涂层厚度、硬度、最高使用温度，最终选定的PVD涂层类型是AlTiCrN。

3 未涂层冲头使用寿命统计

以某一型号冲头为例进行涂层处理和试验验证。排除异常情况，统计10件正常使用的冲头的使用寿命（从冲头开始使用至废弃），未涂层冲头的平均使用寿命是9597件，单价是310元，加工成本是0.03元/件。

4 涂层冲头试验使用寿命统计

制定相应的试验计划，将涂层处理过的10件冲头（以下称涂层冲头）投入使用并跟踪确认使用寿命，涂层冲头的平均使用寿命是20008件，单价是370元，加工成本是0.02元/件。

5 试验效果总结

综合以上，经涂层处理后，冲头使用寿命提高1倍，加工成本降低1/3，见图表1。

6 结论

将冲头经过PVD涂层处理，可以减小冲头的表面粗糙度，增加冲头耐磨性、耐热性和抗氧化性，通过本文试验使用验证，PVD涂层可以增加冲头的使用寿命、降低加工成本，在使用中可以减少冲头更换的次数，节省更换时间，提高生产效率，为之后的批量使用奠定了基础。

参考文献

[1]戴达煌.薄膜与涂层现代表面技术[M].中南大学出版社，2008.

（作者单位：兰州兰石能源装备工程研究院有限公司 青岛分公司）