关于PVD 表面处理技术及其应用

文/邹华娟·江铃汽车股份有限公司

随着汽车行业的飞速发展及工艺水平的提高，尤其是高强度板在汽车钣金上的广泛应用，冷作模具易发生变形、磨损、疲劳和断裂等失效形式，严重影响了模具的使用寿命。在汽车模具领域，表面处理技术主要是解决冲压件的拉伤问题，以及提高模具使用寿命。单传统的TD、电镀、熔射由于受变形量、镀膜次数以及镀膜均匀性的限制已不能满足高速发展的需要。

为解决此类问题，在冲压领域引进了一种新型表面处理工艺——PVD。PVD(Physical Vapor Deposition）——物理气相沉积，是指利用物理过程实现物质转移，将原子或分子由源转移到基材表面上的过程。它的作用是可以使某些有特殊性能(强度高、耐磨性、散热性、耐腐性等）的微粒喷涂在性能较低的母体上，使得母体具有更好的性能。

如图1 所示，PVD 表面处理工艺的工作原理为：将要镀膜处理的工件2 置于真空容器1 的电弧蒸发源3 中，在高真空条件下，通过电弧蒸发源加热使其蒸发，当蒸发分子的平均自由程大于真空室的线性尺寸以后，蒸汽的原子和分子从蒸发源表面溢出后，很少受到其他分子或原子的冲击与阻碍，可直接到达工件基体表面上，遇有基体温度较低，便凝结其上而成膜。

图1 PVD 工作原理

图2 PVD 工作流程

PVD 表面处理技术要求

为了保证处理后的工件硬度和使用寿命，PVD 处理技术对原材料有一定的要求。

(1）材质要求：高速钢、预硬钢、热作模具钢、工具钢、冷作模具钢。比如：T10A 钢、7SiCrMnMoV 钢、CrWMn 钢或Cr12Mo1V1 等。

(2）热处理要求：工具钢、冷作模具钢材经过三次500℃以上的高温回火。

(3）尺寸要求：最大尺寸600mm×400mm×280 mm。孔径/孔深比或槽宽/槽深比应大于1。

(4）其他要求：模具上必须有可供上挂夹持用的孔、螺纹孔、台阶等，以供后续包绑、上挂用。

具体实施方式

超声波清洗槽，每个槽里面的清洗剂含量逐渐降低，每个槽清洗时间为5 ～10min。②清水去污；分三个清水清洗槽，第一个槽清水喷淋，时间为3min，第二和第三个槽用超声波清洗，时间均为3min。③去离子水清洗；分为三个槽，第一、第二槽为去离子水超声槽，时间3min，第三个槽为去离子水浸泡清洗，时间3min。④脱水；用热风吹8 ～10min，保证工件干燥。

(3）喷砂处理。所选喷料为铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂或海南砂中的一种。喷砂步骤能够使工件表面或形状发生变化，由于磨料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和涂层之间的附着力，延长了涂膜的耐久性，也有利于涂料的流平和装饰。

图3 对镶块补焊、抛光

图4 镶块PVD 处理后

表1 PVD 后的工件检测结果

(4）对镶块进行PVD 处理。①氮化处理；将PVD炉抽真空，通入液氨，加热使氨气蒸发对冷冲压模具表面进行处理。②涂层沉积；具体选用TiN、CrN、TiCN、TiAlN 或CrAlN 中的一种，根据工件不同的要求，选用涂层种类。

(5）如图4 所示，对PVD 后的工件进行抛光，冲压模具Ra ＜0.5μm，而成形面需Ra ＜0.2μm。

(6）对PVD 后的工件进行检测，结果如表1 所示。

(7）复合涂层的相关技术指标的检验方法与标准如表2 所示。

镶块通过PVD 处理，表面光洁度得到很大提升，在冲压过程中，板料与模具的摩擦力减少，产品的拉伤问题可以得到很好的解决，再加上模具表面硬化，可以减缓模具的磨损速度，提升模具的使用寿命，而且模具可以反复做PVD 处理，亦可以大大延长模具的使用周期。

表2 复合涂层相关技术指标的检验方法与标准

结束语

PVD 镀膜技术镀出的膜层，具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性及化学稳定性，膜层的寿命更长，经过批量的应用及生产验证，不仅汽车冲压件的拉伤问题得到了长期的解决，而且对比其他表面处理技术，PVD 表面处理技术具有基材不易变形、不易开裂、可反复镀膜的优势，广泛应用于冲压模具领域，大大解决了模具拉毛问题及汽车外覆盖件面品问题。