PVD涂層技術(shù)在熱沖壓沖頭上的應(yīng)用

王春暉

摘 要：通過將沖頭PVD涂層處理，增強沖頭的耐磨性、耐熱性，抗氧化性；并且本文試驗驗證了經(jīng)涂層處理的沖頭在熱沖壓過程中可以提高使用壽命、降低加工成本，提高生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：熱沖壓；PVD涂層；耐磨性；抗氧化性；提高使用壽命；降低加工成本

0 引言

PVD是Physical Vapor Deposition（物理氣相沉積）的縮寫，是指在真空或低氣壓氣體放電條件下，固態(tài)物質(zhì)經(jīng)過“蒸發(fā)或濺射”后，在零件表面生成與基材性能完全不同的新的固態(tài)物質(zhì)涂層。PVD涂層技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代末，制備的薄膜具有高硬度、低摩擦系數(shù)、很好的耐磨性和化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點，并且PVD工藝對環(huán)境無不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向。目前PVD涂層技術(shù)在中國還處于剛剛起步階段，近兩三年來一些國際性的公司先后在國內(nèi)建立了涂層中心，PVD涂層技術(shù)也相繼應(yīng)用于各種刀具及模具的涂層處理。

沖頭進(jìn)行沖孔加工時，沖頭與工件接觸的部位易被氧化；同時，在沖壓過程中沖頭與工件之間產(chǎn)生摩擦，沖頭表面黏著碎屑，增大了沖頭表面的摩擦系數(shù)，以此加快了沖頭的磨損速度。為了提高沖頭的使用壽命、降低加工成本，需要提高沖頭的耐磨性、耐熱性及抗氧化性，所以嘗試將沖頭進(jìn)行PVD涂層處理，通過試驗使用驗證PVD涂層對刀具性能及使用壽命的影響。

1 沖頭加工條件

沖頭的熱沖壓過程：沖頭以7.3S的節(jié)拍對800℃高溫工件進(jìn)行沖孔加工。沖壓過程中失效原因有黏著磨損、崩角、塑性變形、表面疲勞/模具開裂等，結(jié)合實際使用情況，通常沖頭失效主要原因是黏著磨損。

2 PVD涂層介紹及選用

典型的PVD涂層加工溫度在250～450℃之間，但有些情況下依據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域和涂層的質(zhì)量，PVD涂層溫度可低于70℃或高于600℃進(jìn)行涂層。

PVD涂層主要工藝：IQC（In Quality Control）→前處理工藝→PVD→FQC。

（1）IQC（In Quality Control）：清點數(shù)量、檢查圖紙與實物是否一致、刃口位置有無裂紋等。

（2）前處理工藝的主要目的是凈化或粗化工件表面，主要方法有高溫蒸洗、清洗、噴砂、打磨、拋光等。

（3）PVD涂層工藝包括加熱、離子清洗、涂層、冷卻。

（4）FQC（Function Quality Control）功能質(zhì)量控制，主要內(nèi)容包括外觀檢查、層深檢查、附著力檢查、耐磨性檢查、抗蝕性檢查、模擬性檢查等方法。

涂層類型有TiN、TiAlN、TiCN以及納米復(fù)合涂層等，涂層厚度一般0.3～5μm（具體參數(shù)見表1）。

結(jié)合沖頭加工條件，綜合考慮涂層厚度、硬度、最高使用溫度，最終選定的PVD涂層類型是AlTiCrN。

3 未涂層沖頭使用壽命統(tǒng)計

以某一型號沖頭為例進(jìn)行涂層處理和試驗驗證。排除異常情況，統(tǒng)計10件正常使用的沖頭的使用壽命（從沖頭開始使用至廢棄），未涂層沖頭的平均使用壽命是9597件，單價是310元，加工成本是0.03元/件。

4 涂層沖頭試驗使用壽命統(tǒng)計

制定相應(yīng)的試驗計劃，將涂層處理過的10件沖頭（以下稱涂層沖頭）投入使用并跟蹤確認(rèn)使用壽命，涂層沖頭的平均使用壽命是20008件，單價是370元，加工成本是0.02元/件。

5 試驗效果總結(jié)

綜合以上，經(jīng)涂層處理后，沖頭使用壽命提高1倍，加工成本降低1/3，見圖表1。

6 結(jié)論

將沖頭經(jīng)過PVD涂層處理，可以減小沖頭的表面粗糙度，增加沖頭耐磨性、耐熱性和抗氧化性，通過本文試驗使用驗證，PVD涂層可以增加沖頭的使用壽命、降低加工成本，在使用中可以減少沖頭更換的次數(shù)，節(jié)省更換時間，提高生產(chǎn)效率，為之后的批量使用奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]戴達(dá)煌.薄膜與涂層現(xiàn)代表面技術(shù)[M].中南大學(xué)出版社，2008.

（作者單位：蘭州蘭石能源裝備工程研究院有限公司 青島分公司）