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汽车模具中PVD涂层的应用及改善

2018/7/25 | 来自: admin
        目前,我国经济与交通业都发展很快,这促进了汽车工业的快速发展。人们对模具的精度、寿命、硬度、耐磨损、防腐蚀及抗高温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确的加工、选材外,关键在于科学合理的热处理和表面处理。通过加强汽车模具中PVD涂层的应用及改善研究,有助于汽车生产技术的进一步改进。
       PVD 就是物理气相沉积,作为一项比较新的汽车模具表面处理技术越来越受到关注,但在实际的应用中却或多或少存在结合力不足的问题,在工作条件更加苛刻的场合,如引伸类模具,往往无法达到理想的使用效果。本文就在汽车模具中的PVD涂层应用及改善进行了探究。
汽车模具表面磨损类型
        ①磨粒磨损,工件表面的硬突起物或外来硬质颗粒存在于工件与模具的接触面之间,刮擦模具表面形成划痕或犁沟,引起模具表面出现损伤;②粘着磨损,当工件与模具表面发生相对运动时,因为两表面均存在凸凹不平的地方,导致部分接触点的局部应力超过材料本身的屈服强度,产生粘合,当相对运动继续发生时,粘合的结点会因受力加大而发生剪切断裂,使模具部分表面的材料移动到工件上或发生脱落;③疲劳磨损,工件与模具相互滑动的两接触表面,在交变接触应力反复作用下产生重复变形,导致模具表层材料出现微观裂缝并分离出磨粒或碎片而剥落;④腐蚀磨损,工件与模具相对滑动时,表面材料与周围介质发生化学反应,在机械作用下引起材料损失的现象。一般而言,模具磨损体积与模具表面法向压力、板料相对模具的滑移距离和磨损系数成正比,与模具表面硬度成反比。为了避免模具因磨损量偏大而过早失效,腔体表面和相对运动部件在模具使用过程中必须具有高硬度和自润滑性。
PVD涂层保护分析
        PVD表面处理技术可以有效地解决上述问题,实现耐磨、减少磨损、耐腐蚀和抗疲劳的目的。对于冲压和冲裁模具涂层,通过新型的斜冲击滑动试验,在汽车冲压件冲压模具材料承受循环冲击和滑动力合成状态的情况下,可对TiN涂层模具的磨损形式进行模拟。此外,采用有限元软件模拟了高强度钢板的冲裁过程,并从抗磨损和抗摩擦角度分析了3种PVD涂层(MoST、Graphit-iC石墨涂层和CrMoN减摩涂层)对冷作模具钢寿命的影响。研究结果表明:各涂层可以不同程度地降低模具的等效应力,提高高强度钢冲裁模的使用寿命。精冲是一种精密塑性成型工艺,在汽摩零部件制造领域有着广泛的应用。该工艺通过与成形技术相结合,能够生产出形状复杂且质量高的精密冲件。精冲模的主要失效模式是模具的过度磨损、断裂和塑性变形。TiN和TiAlN涂层由于其良好的耐磨性、热稳定性和耐腐蚀性而广泛用于精冲行业中,不过TiAlN涂层对精密模具的表面保护效果要好于TiN涂层,但制备成本较高。
汽车模具PVD涂层技术
        通过这种技术制作的超硬涂层,不仅超硬、超薄、耐高温、无污染,还可满足工具、零件和摩擦磨损部件的特殊性能要求,同时具有耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性和自润滑性。它还可以有效地解决传统汽车模具表面处理方法的弊端,是现代表面工程中最具前景和应用价值的技术之一[1]。物理气相沉积技术最初用于模具和工具上。通过沉积TiC涂层,可以有效延长模具的使用寿命;在模具的某些部件的工作表面上沉积涂层,改善了部件的耐磨性和抗碎裂性。同时,涂层部件还具有高硬度、高化学稳定性、高韧性和低摩擦系数。
掺杂金属或非金属元素
        掺入某些金属元素能够不同程度地降低DLC涂层内应力及提高DLC膜基结合强度。例如以甲烷作为气源,采用反应磁控溅射沉积Me-DLC(W,Mo,Nb,Ti)时,在较小气体流量和掺杂的金属粒子含量较多的情况下,所制备涂层的最小内应力几乎可以被忽略掉,同时当气体流量不断增加后,金属掺杂的DLC涂层的内应力(<1GPa)均比纯DLC(约为3GPa)低。
沉积工艺的改善
        采用国产离子镀和空心阴极离子镀复合镀膜机,通过改变脉冲偏压值制备了具有不同大小残余压应力的(Ti,A1)N涂层,随着脉冲偏压值的增加,涂层的本征应力表现为先减小后增大的趋势,涂层中“大颗粒熔滴”现象能够得到减轻[2]。与此同时,涂层的质量和力学性能均得到改善,包括涂层的硬度、涂层与基体间的结合力等。因为随着沉积偏压的逐步增加,当溅射原子的能量足以注入涂层时,涂层的应力由于原子注入效应而增加,并且当能量进一步增加时,由于热峰效应,涂层应力被逐渐释放,即压应力降低。
PVD涂层界面应力的控制
引入过渡层
        在工业应用中,使用合适的过渡层可以降低界面处的内应力,起到协调变形的作用,并阻碍界面处位错和裂纹的扩展;其次,它还能产生化学反应效应,即增强界面的接触并导致更强的化学结合。采用双电弧磁过滤真空电弧源在钴和铬合金基体上成功沉积Ti/DLC复合涂层。
引入多层膜和梯度膜
        多层膜是通过交替沉积软质膜层(具有较小应力)和高硬度的膜层(具有较大应力)而获得。这种结构的涂层,可以通过较软的过渡层来释放硬膜层中的残余应力[3]。梯度膜对应力的影响类似于多层膜过渡软层的作用,即可有效地减小类金刚石膜与基体之间的物理性质差异。梯度膜中间部分的组成和结构沿厚度方向以梯度形式连续变化,内部没有明显的界面。
深冷处理
        相比退火处理,深冷处理不仅能够使材料的力学性能和使用寿命得到不同程度的提高,材料的微观组织结构也趋于致密化、微细化和均匀化,而且深冷处理也能对材料内部及表面应力状态进行合理的调整。通过对DLC/淬火态高速钢复合体系进行-196℃液氮环境下保温30h处理后发现,深冷处理在保持涂层硬度不降低的情况下,使膜基结合力提高了约20%。经过30h的深冷处理,在淬火的W9高速钢基体中发生马氏体相变和马氏体细化分解,并且基体的马氏体晶界增加,涂层元素C扩散到基板表面层中的短程通道增多,促进DLC涂层一部分的C元素扩散到基体表层的晶界处,并且在温度从-196℃恢复到室温过程中,扩散而来的C与其他元素聚积形成新的碳化物,增强了DLC涂层在基体上的钉扎效应,以达到提高DLC涂层/淬火W9高速钢复合体系结合强度的目的[4]。这种成分和组织的变化,导致DLC/W9高速钢复合体系中涂层残余应力的降低,而且基体残余应力分布变得均匀,在划痕或压痕的破坏试验下表现为涂层剥落明显减少。
结束语:
        总之,目前为了应对全球高质量、低价格、长寿命的模具竞争要求,有必要对PVD涂层技术在模具上进行多样化、复合化和纳米化的扩展应用,并进行PVD涂层性能、结合强度、新工艺和新材料等方面的广泛研究。这对于汽车模具行业的技术改进与发展而言,都是非常重要的。