汽車模具中PVD涂層的應用及改善
2018/7/25 | 來自： admin
目前，我國經濟與交通業都發展很快，這促進了汽車工業的快速發展。人們對模具的精度、壽命、硬度、耐磨損、防腐蝕及抗高溫性等方面提出了更高的要求。提高模具性能的有效方法除了正確的加工、選材外，關鍵在于科學合理的熱處理和表面處理。通過加強汽車模具中PVD涂層的應用及改善研究，有助于汽車生產技術的進一步改進。
PVD 就是物理氣相沉積，作為一項比較新的汽車模具表面處理技術越來越受到關注，但在實際的應用中卻或多或少存在結合力不足的問題，在工作條件更加苛刻的場合，如引伸類模具，往往無法達到理想的使用效果。本文就在汽車模具中的PVD涂層應用及改善進行了探究。
汽車模具表面磨損類型
①磨粒磨損，工件表面的硬突起物或外來硬質顆粒存在于工件與模具的接觸面之間，刮擦模具表面形成劃痕或犁溝，引起模具表面出現損傷;②粘著磨損，當工件與模具表面發生相對運動時，因為兩表面均存在凸凹不平的地方，導致部分接觸點的局部應力超過材料本身的屈服強度，產生粘合，當相對運動繼續發生時，粘合的結點會因受力加大而發生剪切斷裂，使模具部分表面的材料移動到工件上或發生脫落;③疲勞磨損，工件與模具相互滑動的兩接觸表面，在交變接觸應力反復作用下產生重復變形，導致模具表層材料出現微觀裂縫并分離出磨?；蛩槠鴦兟?④腐蝕磨損，工件與模具相對滑動時，表面材料與周圍介質發生化學反應，在機械作用下引起材料損失的現象。一般而言，模具磨損體積與模具表面法向壓力、板料相對模具的滑移距離和磨損系數成正比，與模具表面硬度成反比。為了避免模具因磨損量偏大而過早失效，腔體表面和相對運動部件在模具使用過程中必須具有高硬度和自潤滑性。
PVD涂層保護分析
PVD表面處理技術可以有效地解決上述問題，實現耐磨、減少磨損、耐腐蝕和抗疲勞的目的。對于沖壓和沖裁模具涂層，通過新型的斜沖擊滑動試驗，在汽車沖壓件沖壓模具材料承受循環沖擊和滑動力合成狀態的情況下，可對TiN涂層模具的磨損形式進行模擬。此外，采用有限元軟件模擬了高強度鋼板的沖裁過程，并從抗磨損和抗摩擦角度分析了3種PVD涂層(MoST、Graphit-iC石墨涂層和CrMoN減摩涂層)對冷作模具鋼壽命的影響。研究結果表明:各涂層可以不同程度地降低模具的等效應力，提高高強度鋼沖裁模的使用壽命。精沖是一種精密塑性成型工藝，在汽摩零部件制造領域有著廣泛的應用。該工藝通過與成形技術相結合，能夠生產出形狀復雜且質量高的精密沖件。精沖模的主要失效模式是模具的過度磨損、斷裂和塑性變形。TiN和TiAlN涂層由于其良好的耐磨性、熱穩定性和耐腐蝕性而廣泛用于精沖行業中，不過TiAlN涂層對精密模具的表面保護效果要好于TiN涂層，但制備成本較高。
汽車模具PVD涂層技術
通過這種技術制作的超硬涂層，不僅超硬、超薄、耐高溫、無污染，還可滿足工具、零件和摩擦磨損部件的特殊性能要求，同時具有耐磨性、抗氧化性、耐腐蝕性和自潤滑性。它還可以有效地解決傳統汽車模具表面處理方法的弊端，是現代表面工程中最具前景和應用價值的技術之一[1]。物理氣相沉積技術最初用于模具和工具上。通過沉積TiC涂層，可以有效延長模具的使用壽命;在模具的某些部件的工作表面上沉積涂層，改善了部件的耐磨性和抗碎裂性。同時，涂層部件還具有高硬度、高化學穩定性、高韌性和低摩擦系數。
摻雜金屬或非金屬元素
摻入某些金屬元素能夠不同程度地降低DLC涂層內應力及提高DLC膜基結合強度。例如以甲烷作為氣源，采用反應磁控濺射沉積Me-DLC(W，Mo，Nb，Ti)時，在較小氣體流量和摻雜的金屬粒子含量較多的情況下，所制備涂層的最小內應力幾乎可以被忽略掉，同時當氣體流量不斷增加后，金屬摻雜的DLC涂層的內應力(＜1GPa)均比純DLC(約為3GPa)低。
沉積工藝的改善
采用國產離子鍍和空心陰極離子鍍復合鍍膜機，通過改變脈沖偏壓值制備了具有不同大小殘余壓應力的(Ti，A1)N涂層，隨著脈沖偏壓值的增加，涂層的本征應力表現為先減小后增大的趨勢，涂層中“大顆粒熔滴”現象能夠得到減輕[2]。與此同時，涂層的質量和力學性能均得到改善，包括涂層的硬度、涂層與基體間的結合力等。因為隨著沉積偏壓的逐步增加，當濺射原子的能量足以注入涂層時，涂層的應力由于原子注入效應而增加，并且當能量進一步增加時，由于熱峰效應，涂層應力被逐漸釋放，即壓應力降低。
PVD涂層界面應力的控制
引入過渡層
在工業應用中，使用合適的過渡層可以降低界面處的內應力，起到協調變形的作用，并阻礙界面處位錯和裂紋的擴展;其次，它還能產生化學反應效應，即增強界面的接觸并導致更強的化學結合。采用雙電弧磁過濾真空電弧源在鈷和鉻合金基體上成功沉積Ti/DLC復合涂層。
引入多層膜和梯度膜
多層膜是通過交替沉積軟質膜層(具有較小應力)和高硬度的膜層(具有較大應力)而獲得。這種結構的涂層，可以通過較軟的過渡層來釋放硬膜層中的殘余應力[3]。梯度膜對應力的影響類似于多層膜過渡軟層的作用，即可有效地減小類金剛石膜與基體之間的物理性質差異。梯度膜中間部分的組成和結構沿厚度方向以梯度形式連續變化，內部沒有明顯的界面。
深冷處理
相比退火處理，深冷處理不僅能夠使材料的力學性能和使用壽命得到不同程度的提高，材料的微觀組織結構也趨于致密化、微細化和均勻化，而且深冷處理也能對材料內部及表面應力狀態進行合理的調整。通過對DLC/淬火態高速鋼復合體系進行－196℃液氮環境下保溫30h處理后發現，深冷處理在保持涂層硬度不降低的情況下，使膜基結合力提高了約20%。經過30h的深冷處理，在淬火的W9高速鋼基體中發生馬氏體相變和馬氏體細化分解，并且基體的馬氏體晶界增加，涂層元素C擴散到基板表面層中的短程通道增多，促進DLC涂層一部分的C元素擴散到基體表層的晶界處，并且在溫度從－196℃恢復到室溫過程中，擴散而來的C與其他元素聚積形成新的碳化物，增強了DLC涂層在基體上的釘扎效應，以達到提高DLC涂層/淬火W9高速鋼復合體系結合強度的目的[4]。這種成分和組織的變化，導致DLC/W9高速鋼復合體系中涂層殘余應力的降低，而且基體殘余應力分布變得均勻，在劃痕或壓痕的破壞試驗下表現為涂層剝落明顯減少。
結束語：
總之，目前為了應對全球高質量、低價格、長壽命的模具競爭要求，有必要對PVD涂層技術在模具上進行多樣化、復合化和納米化的擴展應用，并進行PVD涂層性能、結合強度、新工藝和新材料等方面的廣泛研究。這對于汽車模具行業的技術改進與發展而言，都是非常重要的。
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