表面涂层技术

冷锻模具在工作过程中,受到高压力, 高摩擦力,金属流动粘结,高疲劳载荷,重复应力冲击等影响, 容易导致磨损,粘接,热疲劳开裂,腐蚀或氧化,表面裂纹等问题。 所以在一些关键情况下需要通过涂层提升模具寿命。 目前冷锻模具常见的涂层技术主要为PVD涂层(物理气相沉积)CVD涂层(化学气相沉积)

A. 使用涂层的情况

A. 推荐使用涂层的情况

01. 产品材料比较粘模(如铝合金,铜,镁,不锈钢)
02. 产品形状复杂,材料流动路径长,应变大(型腔受力不均,摩擦剧烈,磨损加剧)
03. 产量大,冲击频繁(模具疲劳)
04. 型腔表面易产生裂纹的模具(使用涂层增强表面强度)
05. 产品要求表面极高光洁度(涂层表面光滑)
06. 润滑困难的情况(涂层起到自润滑/抗干摩擦作用)

B. 可以不用涂层的情况

01. 模具用于小批量试验生产
02. 产品材料比较软(如低碳钢),形状简单
03. 工况温和,单位压力不高
04. 表面粗糙度要求不高

B. 常见表面涂层技术

目前冷锻模具常见的涂层技术主要为PVD涂层(物理气相沉积)CVD涂层(化学气相沉积)

A. PVD (物理气相沉积,Physical Vapor Deposition)

工艺原理:PVD是通过物理方式(非化学方式)将金属材料蒸发或溅射为气体,然后在模具表面凝结成的一层薄膜。

常见的方法包括:
1.蒸发镀(Evaporation):将金属蒸发
2.磁控溅射(Sputtering):用离子轰击靶材溅射金属
3.多弧离子镀(Arc-PVD):用高能电弧将金属汽化,附着在工件表面

B. CVD(化学气相沉积,Chemical Vapor Deposition)

工艺原理:CVD是在高温下让气态反应物发生化学反应,形成所需涂层材料并沉积在模具表面。

P01. PVD与CVD的区别

C. 总结

CVD涂层附着力强,涂层厚,耐高温,在冷锻模具应用中相对于PVD有着明显的优势,但由于镀膜时的工作温度较高,会造成钢材退火造成钢材性能退化(硬度下降,变脆等),因此在CVD镀膜时需要特别注意,只能对钨钢材料进行CVD镀膜。(注意:粉末高速钢虽然有着较强红硬性,除非通过某些低温CVD技术进行镀膜,否则仍然可能发生退火)

在日本,由于严格的环保法规(CVD镀膜过程中含有有害气体),处理成本高,导致本土CVD镀膜成本较高,正在减少使用和被逐步替代,日本本土厂商开发的多层PVD涂层在一定程度上可以满足多数耐磨需求。

PVD涂层的优势在于低温处理,能耗及污染程度低。但涂层较薄(即使通过多层PVD镀膜也无法达到CVD水平),附着力相对于CVD较弱(PVD属于物理吸附,CVD属于渗透性的化学吸附),适用于低负载,小型冷锻模具,不适用于高负载场合。

C. 常见钛层材质

PVDCVD描述的是镀钛的方式,而钛层材质则一般指的是以钛(Ti)元素为基础,与其他元素(如氮、碳、铝、硅、铬等)形成的硬质化合物涂层材料。 因为钛元素具有理想的物理化学性质(高硬度,抗氧化腐蚀,良好的附着力,优良的热稳定性等),所以适合用于高性能表面强化。冷锻模具中常见的钛层材质如下表所示:

P02. 常见钛层材质

A. 镀膜技术及钛层选择思路

01. 镀膜技术选择思路:
1.低温精密模具:PVD(涂层薄 变形小)
2.高温高速模具:CVD或多层PVD(涂层厚,结合牢、耐高温,注意脆性问题)

02.钛层选择思路:
1.容易粘结的模具(打不锈钢,铝合金,铜合金等):DLC / CrN(摩擦系数低)
2.需要耐磨+耐高温:TiAlN、AlTiN,AlCrN(陶瓷膜,高硬度,高热稳定性,AlCrN,韧性比 TiAlN 更好,还能耐热冲击)
3.对冲击要求高:避开陶瓷类(如 Al₂O₃、TiC),选多层氮化物复合涂层

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