PVD 镀层在热冲压模具中的应用

文/陈汉杰·苏州普热斯勒先进成型技术有限公司

热成形模具一般经过淬火以及两次到三次回火，其硬度在50HRC 左右，其回火温度一般在600 ～650℃。而热成形零件一般入模温度在750℃左右，生产节拍控制在20～30s之间，模具保压压力一般在300 ～800MPa 之间。由于热成形零件的冷却速度要求大于30℃/s，这就导致模具钢经常承受如高温高压、急冷急热和摩擦磨损，所以模具拉伤和裂纹频繁出现。热成形模具镶块出现拉伤和裂纹后，影响制作品质，无法保证生产效率。

热成形模具镶块的磨损情况有两种，一种是犁沟型磨损，如裸板在热冲压过程中，产生的氧化皮，硬度较高，在热冲压成形过程中，会与模具镶块表面进行高温摩擦，引起模具镶块或者零件表面产生划伤，拉痕，严重者导致模具镶块断裂，产品型面尺寸改变。由于犁削效应与模具成形压力成正比，并随着模具镶块粗糙度的增大而增强，提高镶块硬度或降低镶块表面粗糙度有利于减轻犁削磨损。但是在热成形铝硅涂层零件时，不仅存在犁削磨损，还有粘着磨损。粘着磨损是指滑动摩擦时摩擦副接触面局部发生金属粘着，在随后相对滑动中粘着处被破坏，有金属屑粒从零件表面被拉拽下来或零件表面被擦伤的一种磨损形式。

针对模具拉伤问题，目前行业内普遍的做法是提高模具镶块的硬度，降低模具表面粗糙度，例如渗氮或者PVD。PVD 俗称物理气相沉积，其基本原理是利用加热、离子轰击或者辉光放电等物理方式将材料源表面气化成原子、离子或分子等，并沉积到衬底表面形成涂层。

离子渗氮+PVD 过程

现对拉伤部位的模具镶块(图1)进行离子渗氮加PVD 处理，模具镶块材质为DIEVAR，回火硬度为50 ～52HRC， 镶块离子渗氮温度520℃，时间为4 ～8h，渗氮层厚度约100μm，渗氮后如图2 所示。PVD 涂层材质为TiAlN，厚度4 ～5μm。PVD 采用多弧离子镀，PVD 温度450℃，时间4 ～6h，PVD 后如图3 所示，PVD 后模具镶块呈灰黑色，表面粗糙度为0.12μm。渗氮加PVD 流程如图4 所示。

图1 镶块渗氮前

图2 镶块渗氮后

图3 镶块PVD 后

图4 离子渗氮+PVD 工艺流程

对PVD 后的镶块进行热冲压成形，零件板材为Al-Si 涂层板，加热温度930℃，加热时间380s，零件入模温度750℃。对比相同位置未做PVD 和做PVD的镶块，可以看出Al-Si 涂层板热冲压模具在没有PVD 之前，模具表面有划痕，模具表面有局部地方有铝硅涂层附着，如图5 中的整体镶块和图6 中的R 角区域。PVD之后，经过600冲次，模具表面基本无划痕，但粘铝范围增大如图7 中的整体镶块和图8 中的R 角区域。研磨抛光后粘铝层可以除掉，PVD 层仍保留在模具镶块上。

热冲压成形对模具镶块的冷却速率极为敏感。一般模具在进行PVD 之后，热传导系数会降低。现对PVD 的模具进行热成像观察，观察Al-Si 涂层热冲压零件在PVD 前后的温度变化，如图9、图10 所示。模具PVD 之后，热成形模具的冷却速率降低，零件PVD 之后的出模温度比未做PVD 的高出约50℃。

图11 为裸板的热冲压零件图，加热温度930℃，加热时间220s，对加热后的零件进行热冲压成形。左边为做过PVD 处理的镶块，右边为未做过PVD 处理。从图中可以明显的看出，左边做过PVD的地方的划痕深度明显低于右边未做PVD 位置。对做PVD 和未做PVD 的地方(虚线处)进行金相观察，未做PVD 之前，拉毛高度为30.6μm，拉毛深度为39.1μm(图12)，而做完PVD 之后，从图13 上看未观察到明显的起伏，PVD 可以明显改善裸板的拉毛问题。

图5 无PVD

图6 无PVD(R 角)

图7 PVD(600 冲次)

图8 PVD(600 冲次)

表1 常用PVD 涂层

图9 未做PVD(100.6℃)

图10 做PVD(150.6℃)

图11 裸板零件

图12 未做PVD 金相(100×)

图13 PVD 金相(100×)

目前热冲压模具常用的材料有H13、DIEVAR、Cr7V、W360 等，这些热冲压模具要长时间的承受高温摩擦、温度骤变、压力骤变和应力集中等恶劣条件。所以对热冲压模具钢的耐磨性、硬度、韧性、耐冷热冲压和疲劳性能以及高温温度性要求是非常高的。常用的PVD 涂层一般硬度都高于2000HV 以上，满足模具涂层硬度要求。但是热冲压奥氏体加热后的零件一般入模温度在750℃左右，这就需要PVD 涂层的热稳定温度最好高于一般零件的入模温度，也就是最好高于750℃。从表1 中可以看出，只能够选TiAlN，AlTiN 或者AlCrN。这些PVD 镀层中含铝元素，在温度较高时，涂层内部会发生铝原子向表面扩散，在表面与氧原子形成一层致密的三氧化二铝膜，它能有效的阻止氧原子向涂层内部的继续扩散，使得PVD 涂层的抗氧化性跟热稳定性大为提高。但是在打铝硅涂层的热冲压零件时，铝硅镀层在高温下易与PVD中的铝元素发生粘合，导致含Al 的PVD 镀层在热冲压时粘铝比不做PVD 时更加严重。裸板PVD 则无铝硅涂层板PVD 时的粘铝问题。

结束语

热冲压模具PVD 对无涂层板的划伤问题有很好的改善效果，但是对于Al-Si 涂层板来说会加剧粘铝问题，目前没有很好的解决办法。另外PVD 涂层的导热问题也制约了PVD 在模具上的应用，所以还需要更多的行业人员共同研究，解决这些问题。