高速鋼S6-5-2表面PVD涂覆鈦化合物層后表面性能

劉 歡， 李運(yùn)昌

(1.江蘇省昆山第一中等專(zhuān)業(yè)學(xué)校，江蘇 昆山 215300；2.歐瑞康巴爾查斯涂層蘇州有限公司，江蘇 蘇州 215000)

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本次試驗(yàn)選擇的材料為S6-5-2，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為DIN1735，是鎢鉬系韌性高速工具鋼，為精沖模具優(yōu)先選擇的工具鋼。本次試驗(yàn)研究的主要目的是為精沖模具使用客戶解決模具表面涂覆層選擇的問(wèn)題，幫助其改善模具表面質(zhì)量，提高模具壽命，同時(shí)提高工件質(zhì)量以及工作效率。

這種合金工具鋼，經(jīng)過(guò)處理后其碳化物顆粒細(xì)小均勻，獲得的工件具有耐沖壓、高韌性、熱塑性好，切削性能優(yōu)良等特點(diǎn)，并具有良好的耐磨性能。同時(shí)該材料可抵抗600 ℃左右的高溫，不易軟化，紅硬性良好，硬度可達(dá)64 HRC，而且客戶現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用反饋其耐磨性和韌性強(qiáng)比高鉻鋼要高。

2 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)材料：S6-5-2(DIN1735)，其化學(xué)成份參見(jiàn)表1。

試驗(yàn)方法：使用多弧離子鍍膜設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)材料的表面涂覆，采用UMT-3多功能高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損性能研究，使用CSM-NHT2納米壓入測(cè)試儀(0.1～500 mN)對(duì)金屬鍍膜的硬度進(jìn)行測(cè)量。

2.1 試樣制備

試樣切割尺寸為30 mm×10 mm×10 mm，并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，試樣采用淬火溫度1 150 ℃，冷卻介質(zhì)為氮?dú)饫洌?50 ℃出爐空冷，然后立即進(jìn)行三次回火，回火溫度均為560 ℃，最終的工件硬度為64 HRC。

所有制備好的試樣，進(jìn)行表面拋光處理，達(dá)到Ra≤0.002 μm。然后在試樣表面分別制備TiCN和TiAlN兩種不同種類(lèi)的涂層。

2.2 涂覆層顯微硬度測(cè)試和摩擦試驗(yàn)

利用CSM-NHT2納米壓入測(cè)試儀測(cè)量?jī)煞N涂覆層的硬度，TiCN涂覆層硬度為3 200 Hv0.05，TiAlN涂覆層硬度為3 500 Hv0.05。

選擇5 N的載荷分別進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)對(duì)磨材料為直徑3 mm的SiC圓球，試驗(yàn)試樣分別為沒(méi)有涂覆試樣，表面涂覆TiCN試樣，表面涂覆TiAlN試樣。選擇摩擦速率70 mm/min，單次行程10 mm，環(huán)境溫度25 ℃，空氣相對(duì)濕度約45%，試驗(yàn)時(shí)間為30 min，將試驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin軟件。三種不同表面的試樣摩擦系數(shù)對(duì)比如圖1所示。

圖1 三種不同表面的試樣摩擦系數(shù)對(duì)比

基體S6-5-2的摩擦系數(shù)約在0.525，TiCN涂覆層的摩擦系數(shù)約在0.4，而TiAlN涂覆層的摩擦系數(shù)約在0.325。摩擦系數(shù)越低，其在負(fù)載工作過(guò)程中表面發(fā)熱量越低，對(duì)于提高沖裁模具的壽命有一定的幫助。

涂覆層發(fā)展過(guò)程中TiN已經(jīng)不能滿足沖裁工藝的要求，在改良的TiCN涂覆層得到大面積使用后，本次試驗(yàn)分析研究的TiAlN涂覆層，其中加入的Al使得涂覆層的表面結(jié)構(gòu)得到改善，減少了涂覆層與摩擦材料的粘合狀況，所以其在實(shí)際應(yīng)用中有助于提高模具的使用壽命。

3 實(shí)際工件使用壽命

客戶提供一批次使用S6-5-2制作的精沖模具凸模件，分別對(duì)模具使用過(guò)程中的端面磨損量和工件毛刺高度進(jìn)行測(cè)量分析，并統(tǒng)計(jì)如圖2所示。

4 分析與討論

從圖2的模具使用狀態(tài)統(tǒng)計(jì)分析可見(jiàn)，在4萬(wàn)沖次后沒(méi)有涂覆層保護(hù)的模具端面磨損呈現(xiàn)快速上升，而涂覆有保護(hù)層的模具，在6萬(wàn)沖次后出現(xiàn)較快的磨損速率，但還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沒(méi)有涂層保護(hù)的模具表面。

對(duì)比分析兩種涂覆層TiCN和TiAlN后，發(fā)現(xiàn)TiAlN涂覆層在S6-5-2精沖模具表面性能提高上優(yōu)于TiCN涂覆層。TiALN涂覆層保護(hù)的S6-5-2模具其生產(chǎn)出的工件毛刺高度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于沒(méi)有涂覆層保護(hù)的模具。

帶有涂覆層的模具，在6萬(wàn)沖次后出現(xiàn)較快的端面磨損和工件毛刺增高，綜合涂覆層TiCN和TiAlN的最高耐熱溫度或最高工作溫度后發(fā)現(xiàn)，TiCN的最高工作溫度在400 ℃，而TiAlN的最高工作溫度在1 100 ℃。這對(duì)于連續(xù)高速工作的精沖生產(chǎn)來(lái)說(shuō)，有著非常重要的影響，TiCN在出現(xiàn)端面磨損后，沖裁熱量在6萬(wàn)沖次后出現(xiàn)快速積累，導(dǎo)致模具端面抗磨損能力下降。因?yàn)門(mén)iAlN有著較高的工作溫度優(yōu)勢(shì)，在磨損量達(dá)到1 000 VSS/um2后還能有較好的耐磨損抗力。

5 結(jié)論

高速鋼S6-5-2(DIN1735)在精沖模具經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，利用PVD方法表面涂覆TiCN和TiAlN層厚后，能顯著提高模具的使用壽命，減緩模具端面磨損速率，同時(shí)提高工件的端面質(zhì)量。

涂覆TiAlN層優(yōu)于TiCN層在精沖模具上的使用效果，對(duì)于沖次壽命要求較高的工作場(chǎng)景可以選用TiAlN層。