PVD涂層在汽車模具上的應(yīng)用及結(jié)合力改善研究

趙 洋，周 林，張 濤，張玉成，江慶順

(東風(fēng)小康汽車有限公司 汽車技術(shù)中心， 重慶 400033)

隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)模具的精度、壽命、硬度、耐磨損、防腐蝕及抗高溫性等方面提出了更高的要求。實(shí)踐證明，提高模具性能的有效方法除了正確的加工、選材外，關(guān)鍵在于科學(xué)合理的熱處理和表面處理。譬如，對(duì)于汽車?yán)錄_壓成型模具，通過(guò)模具回廠后的不斷調(diào)試、整改，可以顯著提升零件質(zhì)量及模具生產(chǎn)的穩(wěn)定性，但無(wú)法消除部分成型復(fù)雜或者高強(qiáng)度零件的拉延起皺、拉毛現(xiàn)象，故此類零件成型模在調(diào)試之后還需要進(jìn)行表面處理。汽車模具表面處理常見的方法包括化學(xué)熱處理、電鍍、熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理(TD)以及物理氣相沉積(PVD)，其中電鍍及TD處理技術(shù)存在工藝溫度高、鋼塊變形大、可處理次數(shù)少及處理后調(diào)試工作量大等弊端。相比而言，PVD處理則只需將基體加熱到250～450 ℃，基體尺寸波動(dòng)很小，熱疲勞影響小、可多次重復(fù)處理，處理后易于調(diào)試且對(duì)零件表面質(zhì)量幾乎無(wú)影響。PVD作為一項(xiàng)比較新的汽車模具表面處理技術(shù)越來(lái)越受到關(guān)注，但在實(shí)際的應(yīng)用中卻或多或少存在結(jié)合力不足的問(wèn)題,在工作條件更加苛刻的場(chǎng)合，如引伸類模具，往往無(wú)法達(dá)到理想的使用效果。為此，本文先簡(jiǎn)單介紹PVD涂層技術(shù)在汽車模具表面處理上的應(yīng)用，還重點(diǎn)對(duì)PVD涂層結(jié)合力的改善方法進(jìn)行了研究闡述。

1 汽車模具PVD涂層技術(shù)的應(yīng)用

1.1 汽車模具PVD涂層技術(shù)

物理氣相沉積(簡(jiǎn)稱PVD)是指通過(guò)物理方法在真空條件下將固體或液體材料蒸發(fā)成氣態(tài)原子、分子或離子狀態(tài)，并采用低壓氣體(或等離子體)工藝，在基板表面上沉積具有特殊功能膜的技術(shù)，主要包括真空蒸發(fā)、陰極濺射、離子鍍等。 用這種技術(shù)制作的超硬涂層不僅超硬、超薄、耐高溫、無(wú)污染，還可滿足工具、零件和摩擦磨損部件的特殊性能要求，同時(shí)具有耐磨性、抗氧化性、耐腐蝕性和自潤(rùn)滑性。它還可以有效地解決傳統(tǒng)汽車模具表面處理方法的弊端，是現(xiàn)代表面工程中最具前景和應(yīng)用價(jià)值的技術(shù)之一[1-2]。

物理氣相沉積技術(shù)最初用于模具和工具上。通過(guò)沉積TiC涂層，可以有效延長(zhǎng)模具的使用壽命；在模具的某些部件的工作表面上沉積涂層，改善了部件的耐磨性和抗碎裂性。同時(shí)，涂層部件還具有高硬度、高化學(xué)穩(wěn)定性、高韌性和低摩擦系數(shù)。目前，諸如(TiAl)N、TiCrN的超硬沉積材料和諸如TiC/Ti(C，N)/TiN的多鍍層材料已應(yīng)用于生產(chǎn)[3-4]。

1.2 汽車模具表面磨損形式與PVD涂層保護(hù)

汽車模具的表面失效模式是腐蝕、磨損、變形、開裂等，其中表面磨損失效占比最大[5]。對(duì)由于磨損所導(dǎo)致的模具失效，即導(dǎo)致零件的尺寸、表面光潔度等超出允許的范圍而失效，大約占模具總失效原因的70%～80%。因此，磨損失效對(duì)汽車模具所造成的傷害不容小覷[6]。

汽車模具的磨損是多種因素相互作用的結(jié)果，根據(jù)產(chǎn)生磨損的不同機(jī)制，磨損形式主要?dú)w納為4種：① 磨粒磨損，工件表面的硬突起物或外來(lái)硬質(zhì)顆粒存在于工件與模具的接觸面之間，刮擦模具表面形成劃痕或犁溝，引起模具表面出現(xiàn)損傷；② 粘著磨損，當(dāng)工件與模具表面發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，因?yàn)閮杀砻婢嬖谕拱疾黄降牡胤?，?dǎo)致部分接觸點(diǎn)的局部應(yīng)力超過(guò)材料本身的屈服強(qiáng)度，產(chǎn)生粘合，當(dāng)相對(duì)運(yùn)動(dòng)繼續(xù)發(fā)生時(shí)，粘合的結(jié)點(diǎn)會(huì)因受力加大而發(fā)生剪切斷裂，使模具部分表面的材料移動(dòng)到工件上或發(fā)生脫落；③ 疲勞磨損，工件與模具相互滑動(dòng)的兩接觸表面，在交變接觸應(yīng)力反復(fù)作用下產(chǎn)生重復(fù)變形，導(dǎo)致模具表層材料出現(xiàn)微觀裂縫并分離出磨?；蛩槠鴦兟?；④ 腐蝕磨損，工件與模具相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，表面材料與周圍介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在機(jī)械作用下引起材料損失的現(xiàn)象[7-8]。

一般而言，模具磨損體積與模具表面法向壓力、板料相對(duì)模具的滑移距離和磨損系數(shù)成正比，與模具表面硬度成反比[9-10]。為了避免模具因磨損量偏大而過(guò)早失效，腔體表面和相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件在模具使用過(guò)程中必須具有高硬度和自潤(rùn)滑性。PVD表面處理技術(shù)可以有效地解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)耐磨、減少磨損、耐腐蝕和抗疲勞的目的[11]。

對(duì)于沖壓和沖裁模具涂層，通過(guò)新型的斜沖擊滑動(dòng)試驗(yàn)，在汽車沖壓件沖壓模具材料承受循環(huán)沖擊和滑動(dòng)力合成狀態(tài)的情況下,可對(duì)TiN涂層模具的磨損形式進(jìn)行模擬。此外，采用有限元軟件模擬了高強(qiáng)度鋼板的沖裁過(guò)程，并從抗磨損和抗摩擦角度分析了3種PVD涂層(MoST、Graphit-iC石墨涂層和CrMoN減摩涂層)對(duì)冷作模具鋼壽命的影響。研究結(jié)果表明：各涂層可以不同程度地降低模具的等效應(yīng)力，提高高強(qiáng)度鋼沖裁模的使用壽命[12]。

精沖是一種精密塑性成型工藝，在汽摩零部件制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。該工藝通過(guò)與成形技術(shù)相結(jié)合，能夠生產(chǎn)出形狀復(fù)雜且質(zhì)量高的精密沖件[13]。精沖模的主要失效模式是模具的過(guò)度磨損、斷裂和塑性變形。TiN和TiAlN涂層由于其良好的耐磨性、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性而廣泛用于精沖行業(yè)中，不過(guò)TiAlN涂層對(duì)精密模具的表面保護(hù)效果要好于TiN涂層，但制備成本較高。

1.3 汽車模具PVD涂層技術(shù)的應(yīng)用實(shí)例

作為第一個(gè)在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用的 TiN硬質(zhì)涂層，由于其摩擦系數(shù)低、硬度高、化學(xué)穩(wěn)定性好， 在汽車模具中具有很高的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景[14]。 面心立方晶體結(jié)構(gòu)的TiN涂層因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)由混合鍵構(gòu)成，所以同時(shí)具有共價(jià)晶體和金屬晶體的特點(diǎn)，即高硬度、高熔點(diǎn)、高溫強(qiáng)度和優(yōu)異的熱化學(xué)惰性。經(jīng)鑲嵌、預(yù)磨、拋光后的TiN涂層在金相顯微鏡下被觀察到的截面如圖1所示。從圖中可以看到：金黃色的TiN涂層，檢測(cè)表征的厚度約為2 mm，涂層上端黑色的部分為鑲嵌粉，涂層下端灰白色的部分為7CrSiMnMoV冷作模具空冷鋼。PVD法是通過(guò)離子轟擊濺射沉積出致密的涂層，對(duì)基體組織滲透影響較小，從圖1便可清晰地看到TiN涂層與空冷鋼明顯的界限。由于TiN涂層自身存在較大殘余壓應(yīng)力，涂覆在模具鋼上后能夠很好地抑制基體裂紋的產(chǎn)生,從而減緩模具鋼失效速度，提高模具使用壽命3倍以上。

圖1 TiN涂層截面 (1 000倍)

目前，對(duì)于SKD11、Cr12MoV等材質(zhì)的模具鋼，已越來(lái)越多的采用復(fù)合PVD涂層技術(shù),即先對(duì)這類模具進(jìn)行離子滲碳、滲氮處理,然后施加表面PVD涂層,經(jīng)此處理后比單純的PVD涂層壽命更長(zhǎng)。例如，采用非平衡磁控濺射Ti/TiN和低溫離子滲碳+PVDTi/TiN 2種方法對(duì)Cr12 MoV冷作模具鋼進(jìn)行了表面處理，受力試驗(yàn)結(jié)果表明：Ti/TiN涂層明顯提高了模具表面的承載能力和耐磨性，特別是先經(jīng)表面離子滲碳后再沉積Ti/TiN涂層的復(fù)合PVD處理效果更佳，因?yàn)殡x子滲碳前處理工序得到的中間薄層可以為Ti/TiN提供非常強(qiáng)的支撐力，從而進(jìn)一步提高冷加工模具的使用壽命。

某車型的后門內(nèi)蒙皮沖壓模具自回廠以來(lái)，經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試、整改，零件質(zhì)量及穩(wěn)定性顯著提升。由于在前期產(chǎn)品設(shè)計(jì)上為達(dá)到或滿足車門對(duì)剛度等性能指標(biāo)的要求，一般車門內(nèi)板開閉合處需設(shè)計(jì)為型面較多較深的結(jié)構(gòu)[15-16]，此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)通過(guò)深拉延成型，這樣在成型過(guò)程中就不可避免地出現(xiàn)拉延起皺、拉毛的問(wèn)題，部分拉毛嚴(yán)重的零件無(wú)法返修使用，整體報(bào)廢率達(dá)5%，對(duì)該車型整車品質(zhì)和生產(chǎn)成本帶來(lái)不利影響。在調(diào)試及修模無(wú)法改善拉毛問(wèn)題的情況下，需采用表面處理來(lái)增強(qiáng)模具工作型面的性能。圖2分別為后門內(nèi)蒙皮拉延模先后經(jīng)過(guò)TD處理工藝和PVD處理工藝后零件的質(zhì)量效果，可以發(fā)現(xiàn)模具PVD處理對(duì)零件質(zhì)量的改善效果更突出，且通過(guò)1萬(wàn)件以上大批量生產(chǎn)驗(yàn)證，零件再未出現(xiàn)明顯拉毛現(xiàn)象，總體報(bào)廢率為0。

2 PVD涂層結(jié)合力的改善研究

結(jié)合力是影響涂層質(zhì)量的最重要指標(biāo),也是涂層應(yīng)用中所需的最基本條件,涂層應(yīng)用的可靠性及使用壽命很大程度上取決于該指標(biāo),該性能也是涂層制造過(guò)程中普遍關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。研究表明[17]：PVD涂層在汽車模具上的結(jié)合情況跟所選的涂層種類及模具基體型材材質(zhì)有很大關(guān)系。例如在冷作模具鋼Cr12MoV上，更適合涂覆的PVD涂層一般為TiN/TiAlN；在熱作工具鋼X40CrMoV5-1基體上沉積CrN 涂層可使擠壓模具的磨損量最低；通過(guò)沉積TiN、CrN、TiAlN涂層均可以提高擠壓凹模鑲件的使用壽命，但效果最為理想的是TiAlN涂層。

圖2 模具分別經(jīng)TD處理和PVD處理后的零件效果圖

膜基結(jié)合力是一個(gè)綜合指標(biāo)，宏觀及微觀作用因素都較多，不僅與基體型材的材質(zhì)有關(guān)，還受涂層殘余應(yīng)力的影響較大。在通過(guò)PVD技術(shù)制備的涂層內(nèi)通常存在高達(dá)幾個(gè)吉帕的殘余應(yīng)力，并且高殘余應(yīng)力通常影響涂層性能[18]， 甚至還會(huì)使涂層產(chǎn)生剝落，因而研究特定的處理工藝以改善涂層/基體復(fù)合體系的殘余應(yīng)力狀態(tài)，對(duì)于PVD涂層在汽車模具上的應(yīng)用和生產(chǎn)中的品質(zhì)控制來(lái)說(shuō)具有重大意義。

2.1 PVD涂層本征應(yīng)力的控制

2.1.1 改善沉積工藝

由于沉積工藝(如沉積壓力、偏壓、離子能量和氣體前體等)的變化，所制備涂層的化學(xué)結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生變化。 由涂層化學(xué)結(jié)構(gòu)的差異引起的本征應(yīng)力也不同。

采用國(guó)產(chǎn)離子鍍和空心陰極離子鍍復(fù)合鍍膜機(jī)，通過(guò)改變脈沖偏壓值制備了具有不同大小殘余壓應(yīng)力的(Ti，A1)N涂層，隨著脈沖偏壓值的增加，涂層的本征應(yīng)力表現(xiàn)為先減小后增大的趨勢(shì)，涂層中“大顆粒熔滴”現(xiàn)象能夠得到減輕。與此同時(shí)，涂層的質(zhì)量和力學(xué)性能均得到改善，包括涂層的硬度、涂層與基體間的結(jié)合力等[19]。因?yàn)殡S著沉積偏壓的逐步增加，當(dāng)濺射原子的能量足以注入涂層時(shí)，涂層的應(yīng)力由于原子注入效應(yīng)而增加，并且當(dāng)能量進(jìn)一步增加時(shí)，由于熱峰效應(yīng)，涂層應(yīng)力被逐漸釋放，即壓應(yīng)力降低。

此外，對(duì)于PVD法制備的類金剛石涂層(簡(jiǎn)稱DLC涂層)，影響其本征應(yīng)力的最重要的參數(shù)之一是氫含量。涂層中氫含量的增加，導(dǎo)致涂層中一鍵發(fā)生擴(kuò)向擴(kuò)鍵轉(zhuǎn)變，涂層中的殘余應(yīng)力隨著一鍵的數(shù)量增加而得以釋放，并形成軟的類聚合物材料。例如，隨著沉積偏壓從-100 V增加到-1 200 V，涂層內(nèi)應(yīng)力可從-4.7 Pa減小到-1.0 GPa。

2.1.2 摻雜金屬或非金屬元素

通過(guò)對(duì)涂層進(jìn)行元素?fù)诫s沉積，如摻雜Sb,Na,K,I和Ti等金屬元素，以及Si,N,U和Cl等非金屬元素，使其在涂層中產(chǎn)生穩(wěn)定的化合物，可以穩(wěn)定涂層的化學(xué)結(jié)構(gòu)，從而降低涂層的本征應(yīng)力[20]。

摻入某些金屬元素能夠不同程度地降低DLC涂層內(nèi)應(yīng)力及提高DLC膜基結(jié)合強(qiáng)度。例如以甲烷作為氣源，采用反應(yīng)磁控濺射沉積Me-DLC(W,Mo,Nb,Ti)時(shí),在較小氣體流量和摻雜的金屬粒子含量較多的情況下，所制備涂層的最小內(nèi)應(yīng)力幾乎可以被忽略掉，同時(shí)當(dāng)氣體流量不斷增加后，金屬摻雜的DLC涂層的內(nèi)應(yīng)力(< 1 GPa) 均比純DLC(約為3 GPa)低[21]。

2.2 PVD涂層界面應(yīng)力的控制

2.2.1 引入過(guò)渡層

在工業(yè)應(yīng)用中，使用合適的過(guò)渡層可以降低界面處的內(nèi)應(yīng)力，起到協(xié)調(diào)變形的作用，并阻礙界面處位錯(cuò)和裂紋的擴(kuò)展；其次，它還能產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)效應(yīng)，即增強(qiáng)界面的接觸并導(dǎo)致更強(qiáng)的化學(xué)結(jié)合[22]。

采用雙電弧磁過(guò)濾真空電弧源在鈷和鉻合金基體上成功沉積Ti/DLC復(fù)合涂層。結(jié)果表明：不同于未鍍過(guò)渡層的DLC，隨著載荷的增加，Ti/DLC復(fù)合涂層分別依次經(jīng)歷了涂層的變形、涂層與基體共同變形、涂層剝離的3個(gè)階段，膜基結(jié)合力可達(dá)740 mN[23]。當(dāng)然，不同的基體具有各自不同的最佳過(guò)渡層，鋁基體一般選用Ti作為最佳的過(guò)渡層，而對(duì)于不銹鋼和燒結(jié)碳化物基體，最好采用TiC過(guò)渡層。

2.2.2 引入多層膜和梯度膜

多層膜是通過(guò)交替沉積軟質(zhì)膜層(具有較小應(yīng)力)和高硬度的膜層(具有較大應(yīng)力)而獲得。這種結(jié)構(gòu)的涂層，可以通過(guò)較軟的過(guò)渡層來(lái)釋放硬膜層中的殘余應(yīng)力。梯度膜對(duì)應(yīng)力的影響類似于多層膜過(guò)渡軟層的作用，即可有效地減小類金剛石膜與基體之間的物理性質(zhì)差異。梯度膜中間部分的組成和結(jié)構(gòu)沿厚度方向以梯度形式連續(xù)變化，內(nèi)部沒有明顯的界面[24]。

在7種金屬基體(W18Cr4V、Cr12、GCr15、TC4、40Cr、9Cr18、1Cr18Ni9Ti)上，分別沉積了2種厚度不同的Ti/TiCx/DLC梯度層和一種Ti/TiNy/TiNyCx/DLC梯度層，對(duì)比發(fā)現(xiàn)厚度為220 nm的Ti/TiCx/DLC過(guò)渡層和220 nm的Ti/TiNy/TiNyCx/DLC過(guò)渡層可以大大提高涂層在7種基板上的結(jié)合強(qiáng)度，而且摩擦磨損試驗(yàn)也表明，這2種過(guò)渡層的摩擦系數(shù)較低[25]。

2.3 深冷處理

常規(guī)的退火處理也是通過(guò)減少殘余應(yīng)力來(lái)改善涂層附著力的一種方法，熱處理雖然能夠顯著降低殘余應(yīng)力，但是涂層的硬度被大大犧牲，而且為了避免基體材料的硬度降低，不同基體材料的回火溫度有所要求，因此也是增加了一道后處理工序。但是,相比退火處理,深冷處理不僅能夠使材料的力學(xué)性能和使用壽命得到不同程度的提高，材料的微觀組織結(jié)構(gòu)也趨于致密化、微細(xì)化和均勻化，而且深冷處理也能對(duì)材料內(nèi)部及表面應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行合理的調(diào)整[26-28]。

通過(guò)對(duì)DLC/淬火態(tài)高速鋼復(fù)合體系進(jìn)行-196 ℃液氮環(huán)境下保溫30 h處理后發(fā)現(xiàn)，深冷處理在保持涂層硬度不降低的情況下，使膜基結(jié)合力提高了約20%。經(jīng)過(guò)30 h的深冷處理，在淬火的W9高速鋼基體中發(fā)生馬氏體相變和馬氏體細(xì)化分解，并且基體的馬氏體晶界增加，涂層元素C擴(kuò)散到基板表面層中的短程通道增多，促進(jìn)DLC涂層一部分的C元素?cái)U(kuò)散到基體表層的晶界處，并且在溫度從-196 ℃恢復(fù)到室溫過(guò)程中，擴(kuò)散而來(lái)的C與其他元素聚積形成新的碳化物， 增強(qiáng)了DLC涂層在基體上的釘扎效應(yīng)，以達(dá)到提高DLC涂層/淬火W9高速鋼復(fù)合體系結(jié)合強(qiáng)度的目的。這種成分和組織的變化，導(dǎo)致DLC/W9高速鋼復(fù)合體系中涂層殘余應(yīng)力的降低，而且基體殘余應(yīng)力分布變得均勻， 在劃痕或壓痕的破壞試驗(yàn)下表現(xiàn)為涂層剝落明顯減少。

3 結(jié)論

1) PVD涂層由于其良好的性能而被廣泛用于各種類型的汽車模具中，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，特別是汽車模具的耐磨性、壽命以及生產(chǎn)出的零件質(zhì)量等得到了大幅提升。 為了應(yīng)對(duì)全球高質(zhì)量、低價(jià)格、長(zhǎng)壽命的模具競(jìng)爭(zhēng)要求，有必要對(duì)PVD涂層技術(shù)在模具上進(jìn)行多樣化、復(fù)合化和納米化的擴(kuò)展應(yīng)用，并進(jìn)行PVD涂層性能、結(jié)合強(qiáng)度、新工藝和新材料等方面的廣泛研究。

2) 改善PVD涂層結(jié)合力目前主要采用工藝參數(shù)、元素?fù)诫s、退火后處理、過(guò)渡層及多層膜的設(shè)計(jì)引入等方法， 盡管通過(guò)減小涂層的殘余應(yīng)力可以改善結(jié)合情況，但是通常以犧牲其他性能為代價(jià)，如涂層的硬度。相對(duì)而言，深冷處理對(duì)PVD涂層的性能改善比較均衡，不過(guò)最終還應(yīng)根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)確定采用哪種方式或者多種方式的結(jié)合。