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PVD表面改性技术在模具上的应用

模具失效往往始于模具的表面，模具表面性能的优劣直接影响到模具的使用及寿命。模具表面和心部的性能要求不同，很难通过更换材料或模具的整体热处理来实现。实践证明，提高模具性能的有效途径除选择正确的加工方法、模具材料外，关键在于正确选择热处理方法和表面处理工艺。模具表面处理是提高模具质量的重要基础工艺之一。

随着我国汽车、家电工业的迅猛发展，对模具工业提出了更高的要求，如何提高模具的加工质量和使用寿命，一直是人们不断探索的课题。而表面改性技术以其广泛的功能性，良好的环保性以及巨大的增效性，正逐步成为提高模具质量和使用寿命的重要途径。

近3 0年来，有许多新的科学技术渗透到表面改性技术领域，使模具的表面改性技术得到了迅速的发展，由此开发出了各种各样的表面改性技术。化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)<电导仪器/p>

化学气相沉积是利用气态物质在一定的温度下于固态表面进行化学反应，并在固态表面生成固态沉积膜的过程。例如要在模具表面获得TiC膜层，就是将单向阀模具加热到900～11 00°C，使四氯化钛和模具材料的碳在材料表面进行化学反应，经过一定时间即可在模具表面牛成一层TiC。

物理气相沉积是在真空条件下，利用各种物理方法，将欲涂覆的材料(丰要是氮化物或碳化物)气也与弹性的变构成正比化成原子、分子或离子直接沉积到基体表面的方法。PVD处理时，工件的加热温度一般都在600°C以下，这对于用高速钢、合金模具钢及其他钢材制造的模具都具有重要意义。

化学气相沉积虽然能提高模具的使用寿命，但其工艺温度高，沉积后还需要进行热处理，使模具产生较大的变形，因此使用受到很大限制。物理气相沉积具有处理温度低、沉积速度快、无公害等特点，十分适合模具的表面强化。

1 PVD表面改性技术

PVD是用物理方法把欲涂覆物质沉积在工件表面上形成膜的过程，目前常用的PVD表面改性技术有三种，即真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀。

真空蒸镀是在1．3 3×1 0～～l．3 3×1 0。4 Pa的压力下，用电子束等热源加热沉积材料使之蒸发，蒸发的原子或分子直接在工件表面形成沉积层。但对于难熔的金属碳化物和氮化物进行直接蒸发有困难，并且有使化合物分解的倾向。真空蒸镀的特点是设备、工艺及操作简单，但因汽化粒子动能低，镀层与基体结合力较弱，镀层较疏松，因而耐冲击、耐磨损性能不高。真空蒸镀多用于透镜和反射镜等光学元件、各种电子元件、塑料制品等的随着c919大飞机的成功首飞表面镀膜，在表面硬化方面的应用不太多．

溅射镀膜是在真空下通过辉光放电来电离氩气，氩离组合秤子在电场作用下加速轰击阴极，被溅射下来的粒子沉积到工件表面成膜的方法。溅射法可用于沉积各种导电材料，包括高熔点金属及化合物。如果用TiC作靶材，便可以在工件上直接沉积TiC涂层。溅射可使基体温度升高到500～600°C，因此只适用于在此温度下具有二次硬化的钢制模具。

离子镀是在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物质离子化，在气体离子或蒸发物质离子轰击作用下，把蒸发物质或其反应物蒸镀在工件上。

离子镀的基本原理如图l所示。借助一种惰性气体的辉光放电使金属或合金蒸气离子化。离子镀包括镀膜材料(如TiN、TiC)的受热、蒸发、沉积过程。蒸发的镀膜材料原子在经过辉光区时，一小部分发牛电离，并在电场的作用下飞向工件，以几千电子伏的能量射到工件表面，可以打入基体约几纳米的深度，从而大大提高了涂层的结合力，而未经电离的蒸发材料原子直接在工件上沉积成膜。惰性气体离子与镀膜材料离子在工件表面上发牛的溅射，还可以清除工件表面的污染物，从而改善结合力。

若将反应气体导入蒸发空间，便可在工件表面沉积金属化合物涂层，这就是反应性离子镀。由于采用等离子活化，工件只需在较低温度甚至在室温下进行镀膜，完全保证零件的尺寸精度和表面粗糙度，因此可以安排在工件淬火、回火后即最后一道工序进行。如沉积TiN或TiC时，基体温度可以在1 50—600°C范围内选择，温度高时涂层的硬度高，与基体的结合力也高。基体温度可根据基体材料及其回火温度选择，如基体为高速钢，可选择560°C。这样对于经淬火、回火并加工到尺寸的高精度模具，无需担心基体硬度降低及变形问题。另外，离子镀的沉积速度较其他气术目沉积方法快，得到1 0 μm厚的TiC或TiN涂层，一般只需要几十分钟。

离子镀把辉光放电、等离子技术与真空蒸镀技术结合在一起，不仅明显地提高镀层的各种性能，而且大大扩充了镀膜技术的应用范围。与真空蒸镀、真空溅射相比较，离子镀膜具有如下优点：l)膜层与工件表面的结合力强，更加持久和耐磨；2)离子的绕射性能好，能够镀形状复杂的工件；3)膜层沉积速率快，生产效率高；4)可镀膜层种类广泛；5)膜层性能稳定、安全性高。因此，近年来在国内外得到了迅速的发展。

2 PVD表面改性膜层的发展

国内PVD涂层技术的研发工作始于20世纪80年代初，最初使用空心阴极离子镀膜机涂镀的TiN涂层被用于高速钢刀具，并取得良好效果。同时，TiN涂层也被逐渐用于冲压模具。但是由于模具的工作环境和影响因素远较刀具复杂，因此单一的TiN涂层在模具上的应用受到了很大制约。20世纪90年代，人们通过多组元涂层、多层涂层来提高和改善TiN涂层在工模具上性能的不足，取得了术目当大的进展。依据涂层的发展过程将涂层分为三代：第一代涂层为单层均质涂层，如TiN和TiC，已经在工业牛产和民用领域得到了应用；第

二代为三元复合涂层，例如Ti(C，N)和(Ti，Al)N和Ti(B，N)，现正在进行更深入的研究并已应用于某些耐磨部件；第三代涂层为多元复合涂层和多层涂层TiC／TiN、Ti(C，N)／TiN。

20世纪90年代国际上对物理气术目沉积TiN的基础研究曰益重视和深入，将物理气术目沉积与其他表面强化技术结合制取复合涂层，可进一步发挥PVDTiN涂层的优势，如气体氮化与PVD复合、离子氮化与PVD复合、化学镀Ni—P与PVD复合。由于中间过渡层的有力支撑，使得复合涂层的结合力、耐磨性及其他力学性能都有较大提高。

3 PVD表面改性技术在模具上的应用

PVD表面改性技术可在模具表面形成具有高硬度、高熔点、低的摩擦系数、较高的耐腐蚀能力和抗高温氧化能力的膜层，在冷作模具、热作模具和塑料模具上都有广泛的应用。

3．1 PVD表面改性技术在冷作模具上的应用

冷作模具丰要包括冷冲模、冷拉深模、冷挤压模、冷镦模等。各种冷作模具的工作都是在常温下对被加工材料施加压力，使其产生分离或变形，从而获得一定形状、尺寸和性能的零件。这类模具最丰要的失效形式是磨损、疲劳、断裂和塑性变形。要减少磨损和疲劳断裂失效，有效的方法就是对模具进行表面改性，以提高模具表面硬度和耐磨性，减少疲劳裂纹在表面的形成，从而提高模具的使用寿命。

汇进科技涂层技术公司，采用PVD技术对SKDl l冲压模具进行TiCN涂层，可以提高模具寿命5倍以上，同时解决模具、产品拉伤问题。

王君丽等对冷冲模具“控制臂翻边凸模”(Crl 2MoV)进行PVD Ti／TiN处理，并进行了实际应用试验，结果表明，该冷冲模具实际使用寿命由原来未经PVD处封边机理时的约2500次增加至I]6650次，即模具实际使用寿命提高了约两倍，而且从模具磨损后的失效形貌发现磨损部分为光滑的表面，属于逐渐磨损，没有出现涂层剥落的痕迹。研究结果表明，在Crl 2MoV钢上沉积Ti／TiN涂层能显著地提高Crl2MoV钢的表面硬度及承载能力。而且，先进行低温等离子渗氮的双重处理更能改善涂层一基体的结合条件，显著提高涂层与基体的结合强度，这归因于Ti／TiN涂层强化和韧化的作用，以及巾间渗氮层的强化作用。

东风汽车公司与华中科技大学模具技术国家重点实验室联合研制，用多弧离子镀设备(PVD法)在M1 6六角螺母冲孔冲模和活塞销冷挤冲模镀TiN涂层进行表面改性， 模具材料均为W6M05Cr4V2钢。未经涂层的螺母冲孔模在冲孔过程中被剧烈磨损，导致刃口尺寸变小，所冲螺母内孔径变小超限而报废，使用寿命仅5000件(次)。而经过TiN处理后刃口抗磨能力显著增强，失效时，磨损带较窄，特别是磨痕明显较浅，使用寿命达到25000次，寿命提高了4倍，效果非常显著。活塞销冷挤冲模，TiN涂层模具比未涂层模具的使用寿命提高约1．7倍，效果也非常显著。

哈尔滨第一工具厂利用多弧离子镀技术(PVD法的一种)在材质为Crl 2MoV钢的冰箱压缩机底壳拉伸模具凹模和电度表底壳落料拉伸模具凸凹模表面镀4—6μm的致密TiN膜，由于TiN馀层的高硬度，良好的化学稳定性，低的摩擦系数和小的亲和力，使造成未涂层模具报废的粘着磨损几乎被消除，取而代之的是少量的氧化磨损，使模具的使用寿命提高1 0以上，效果十分显著。

3．2 PVD表面改性技术在热作模具上的应用

热作模具丰要包括锤锻模、热挤压模、热冲裁模和压力铸造模等。热作模具在工作巾除承受机械负载外还承受热负载，其失效形式比冷作模具复杂而普通高聚物材料的断裂伸长率也多在％～100％之间。不同的热作模具由于工作条件不同，因此失效形式也各不术目同，主要的失效形式有热磨损、热疲劳、断裂和腐蚀等。

东风汽车公司与华巾科技大学模具技术国家重点实验室进行了将TiN涂层用丁热作模具的研究与应用，应用的模具为进气阀热镦模，材料为3Cr2W8V，采用多弧离子镀法(PVD法)进行镀膜处理。未经涂膜的气门阀热镦模失效形式有4种：热磨损失效、粘模失效、型腔边缘局部剥落和胀裂。其中后三种属非正常失效，一旦出现，必须更换模具，故寿命常常不至IJ2500件。经统计，非正常需求差失效比例高达52％。而TiN涂层模具则消除了非正常的失效形式，均为正常热磨损失效，使用寿命比原来提高了3．67倍。

为进一步提高TiN涂层的膜／基结合力和高温抗氧化性，刘大勇等人综合利用电弧离子镀和涂层合金化技术，以4Cr5MoV(SKD6 1)热作模具钢为基材，采用Bulat一6型电弧离子镀膜机研究了稀土元素Ce对TiN系涂层的改性情况。研究结果表明，Ce的加入形成的Ti(A1，V)N涂层能进一步提高涂层的耐磨性，显著提高涂层的膜／基结合力，使其高温抗氧化性和抗热震性明显改善，大大提高了4Cr5MoV钢涂层热作精密模具的使用寿命和使用效果。

3.3 PVD表面改性技术在塑料模具上的应用

对于塑料模具，由丁塑料成型加上是在一定的温度下进行的，模具的工作温度一般在250°C以下，并且由于某些塑料在成型加热时会分解出氯化氢或氟化氢气体，这些腐蚀性气体会对塑料模具表面造成腐蚀，同时，大部分塑料中都加有一定量的填料，如玻璃纤维、粉末填充剂会造成对塑料模具表面的磨损，腐蚀后的模具表面粗糙度提高又会加剧模具的磨损导致失效。因此，提高塑料模具使用寿命，便是通过采取必要的技术手段，提高其表面抗磨性、抗腐蚀性、抗热粘附性。

曾霞文等用非平衡磁控溅射法(PVD法)，将crl2MoV钢制作的PVC塑料注射成型模具，经常规热处理后沉积TiN膜层，使其耐磨性提高，且因耐盐雾腐蚀性能的提高，使模具表面不会发生点蚀而引起脱模时的粘模，塑件表面光滑，质量好，使用寿命比原来提高2～4倍，提高了生产效益。

白拴堂等用PVD法对塑料模具进行涂复TiN的处理，使模具寿命得到提高。对于制造喷射成形用的丝杆，使用PVD法中的多孤法和多弧一HCD并用法，使废率儿乎降到了零。用PVD法处理过的丝杆，树脂脱膜性能好，同时也减少了树脂的烧坏。另外，对模具芯子进行PVD法涂复TiN处理，喷丸数是没有处理的3倍。

4 结束语

PVD表面改性涂层具有优良的性能，其在冷作模具、热作模具和塑料模具上的应用均获得成功，并取得良好效果。但也应该看到，PVD表面改性在模具上的应用还远未普及。今后，随着对多元涂层和多层涂层性能、涂层与基体的结合强度、涂层设备和涂层工艺研究的不断深入以及新的涂层材料的开发，它的应用必将越来越广，前景是十分广阔的。

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