PVD 鍍層在熱沖壓模具中的應用

文/陳漢杰·蘇州普熱斯勒先進成型技術有限公司

熱成形模具一般經過淬火以及兩次到三次回火，其硬度在50HRC 左右，其回火溫度一般在600 ～650℃。而熱成形零件一般入模溫度在750℃左右，生產節拍控制在20～30s之間，模具保壓壓力一般在300 ～800MPa 之間。由于熱成形零件的冷卻速度要求大于30℃/s，這就導致模具鋼經常承受如高溫高壓、急冷急熱和摩擦磨損，所以模具拉傷和裂紋頻繁出現。熱成形模具鑲塊出現拉傷和裂紋后，影響制作品質，無法保證生產效率。

熱成形模具鑲塊的磨損情況有兩種，一種是犁溝型磨損，如裸板在熱沖壓過程中，產生的氧化皮，硬度較高，在熱沖壓成形過程中，會與模具鑲塊表面進行高溫摩擦，引起模具鑲塊或者零件表面產生劃傷，拉痕，嚴重者導致模具鑲塊斷裂，產品型面尺寸改變。由于犁削效應與模具成形壓力成正比，并隨著模具鑲塊粗糙度的增大而增強，提高鑲塊硬度或降低鑲塊表面粗糙度有利于減輕犁削磨損。但是在熱成形鋁硅涂層零件時，不僅存在犁削磨損，還有粘著磨損。粘著磨損是指滑動摩擦時摩擦副接觸面局部發生金屬粘著，在隨后相對滑動中粘著處被破壞，有金屬屑粒從零件表面被拉拽下來或零件表面被擦傷的一種磨損形式。

針對模具拉傷問題，目前行業內普遍的做法是提高模具鑲塊的硬度，降低模具表面粗糙度，例如滲氮或者PVD。PVD 俗稱物理氣相沉積，其基本原理是利用加熱、離子轟擊或者輝光放電等物理方式將材料源表面氣化成原子、離子或分子等，并沉積到襯底表面形成涂層。

離子滲氮+PVD 過程

現對拉傷部位的模具鑲塊(圖1)進行離子滲氮加PVD 處理，模具鑲塊材質為DIEVAR，回火硬度為50 ～52HRC， 鑲塊離子滲氮溫度520℃，時間為4 ～8h，滲氮層厚度約100μm，滲氮后如圖2 所示。PVD 涂層材質為TiAlN，厚度4 ～5μm。PVD 采用多弧離子鍍，PVD 溫度450℃，時間4 ～6h，PVD 后如圖3 所示，PVD 后模具鑲塊呈灰黑色，表面粗糙度為0.12μm。滲氮加PVD 流程如圖4 所示。

圖1 鑲塊滲氮前

圖2 鑲塊滲氮后

圖3 鑲塊PVD 后

圖4 離子滲氮+PVD 工藝流程

對PVD 后的鑲塊進行熱沖壓成形，零件板材為Al-Si 涂層板，加熱溫度930℃，加熱時間380s，零件入模溫度750℃。對比相同位置未做PVD 和做PVD的鑲塊，可以看出Al-Si 涂層板熱沖壓模具在沒有PVD 之前，模具表面有劃痕，模具表面有局部地方有鋁硅涂層附著，如圖5 中的整體鑲塊和圖6 中的R 角區域。PVD之后，經過600沖次，模具表面基本無劃痕，但粘鋁范圍增大如圖7 中的整體鑲塊和圖8 中的R 角區域。研磨拋光后粘鋁層可以除掉，PVD 層仍保留在模具鑲塊上。

熱沖壓成形對模具鑲塊的冷卻速率極為敏感。一般模具在進行PVD 之后，熱傳導系數會降低。現對PVD 的模具進行熱成像觀察，觀察Al-Si 涂層熱沖壓零件在PVD 前后的溫度變化，如圖9、圖10 所示。模具PVD 之后，熱成形模具的冷卻速率降低，零件PVD 之后的出模溫度比未做PVD 的高出約50℃。

圖11 為裸板的熱沖壓零件圖，加熱溫度930℃，加熱時間220s，對加熱后的零件進行熱沖壓成形。左邊為做過PVD 處理的鑲塊，右邊為未做過PVD 處理。從圖中可以明顯的看出，左邊做過PVD的地方的劃痕深度明顯低于右邊未做PVD 位置。對做PVD 和未做PVD 的地方(虛線處)進行金相觀察，未做PVD 之前，拉毛高度為30.6μm，拉毛深度為39.1μm(圖12)，而做完PVD 之后，從圖13 上看未觀察到明顯的起伏，PVD 可以明顯改善裸板的拉毛問題。

圖5 無PVD

圖6 無PVD(R 角)

圖7 PVD(600 沖次)

圖8 PVD(600 沖次)

表1 常用PVD 涂層

圖9 未做PVD(100.6℃)

圖10 做PVD(150.6℃)

圖11 裸板零件

圖12 未做PVD 金相(100×)

圖13 PVD 金相(100×)

目前熱沖壓模具常用的材料有H13、DIEVAR、Cr7V、W360 等，這些熱沖壓模具要長時間的承受高溫摩擦、溫度驟變、壓力驟變和應力集中等惡劣條件。所以對熱沖壓模具鋼的耐磨性、硬度、韌性、耐冷熱沖壓和疲勞性能以及高溫溫度性要求是非常高的。常用的PVD 涂層一般硬度都高于2000HV 以上，滿足模具涂層硬度要求。但是熱沖壓奧氏體加熱后的零件一般入模溫度在750℃左右，這就需要PVD 涂層的熱穩定溫度最好高于一般零件的入模溫度，也就是最好高于750℃。從表1 中可以看出，只能夠選TiAlN，AlTiN 或者AlCrN。這些PVD 鍍層中含鋁元素，在溫度較高時，涂層內部會發生鋁原子向表面擴散，在表面與氧原子形成一層致密的三氧化二鋁膜，它能有效的阻止氧原子向涂層內部的繼續擴散，使得PVD 涂層的抗氧化性跟熱穩定性大為提高。但是在打鋁硅涂層的熱沖壓零件時，鋁硅鍍層在高溫下易與PVD中的鋁元素發生粘合，導致含Al 的PVD 鍍層在熱沖壓時粘鋁比不做PVD 時更加嚴重。裸板PVD 則無鋁硅涂層板PVD 時的粘鋁問題。

結束語

熱沖壓模具PVD 對無涂層板的劃傷問題有很好的改善效果，但是對于Al-Si 涂層板來說會加劇粘鋁問題，目前沒有很好的解決辦法。另外PVD 涂層的導熱問題也制約了PVD 在模具上的應用，所以還需要更多的行業人員共同研究，解決這些問題。