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[组图]PVD涂层--延长模具使用寿命的灵丹妙药           ★★★
PVD涂层--延长模具使用寿命的灵丹妙药
作者:上海金科… 文章来源:国际模具制造商情 点击数: 更新时间:2009-11-27 14:19:50

 

PVD (Physical Vapor Deposition)即物理气相沉积,PVD涂层即是采用物理气相沉积方法制造的表面涂层。PVD涂层的物理特性及与之相对应的优点包括:

● 硬度极高(超过HRc85):代表耐磨性极好;
● 摩擦系数低(DLC =0.15):脱模容易,改善拉伸五金冲压、成型的润滑问题;
● 耐高温(最高达到1200℃):不容易氧化,改善干切削和
压铸成型问题;
● 化学屏障/导热率低:可有效防止因高温导致硬质合金
刀具的钴元素流失;改善压铸出现的热龟裂问题;
● 厚度只有1~4祄 :涂层后不影响产品最终尺寸。

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图1MET-STiN涂层特点是改善传统的单层氮化钛涂层,变成多层,并配合高硬度的涂层,
从而提高其韧性和硬度,其硬度可高达Hv3000,比普通的氮化钛高出Hv600,
用于塑料瓶杯磨具最合适不过

PVD涂层在模具中的应用

◆ 五金模具

模具工业大致可以分为:五金模具、塑料模具、压铸模具三大类。对五金模具而言,因五金行业一般需要在金属薄片上冲孔、褶弯成型等,常用的冲压配件,如冲棒经常与被加工材料摩擦,为了延长其使用寿命,绝大多数需要表面添加涂层。

1、 五金冲压模

五金冲压通过剪切的原理,把五金薄片冲成不同形状。根据其加工过程,磨损、塑性变型、崩角都是其破坏的机理,所以最理想的冲压模具必须同时拥有高硬度和高韧性。硬度高确保抗磨损性能好,韧性好代表抗崩角性能好。

基于模具钢材的物理性能限制,例如常用的D2材料,其硬度不能超过HRc62,因此采用PVD涂层是提高表面抗磨损的最好办法,例如氮化钛PVD涂层表面硬度可达到HRc85,对解决磨损有直接的帮助。不过,塑性变型还需要基体的硬度来承担。冲棒是冲压常用的模具,一般采用MET-TiN涂层。

2、五金成型模具

良好的五金拉伸模具要求硬度高,兼有润滑性能良好的表面。一般的冷作钢可以达到HRc62,但钢材表面润滑度低,PVD涂层可以满足这两方面的要求。MET-TiCN是很好的拉伸涂层,其硬度可达到HV3700,但摩擦系数可低于0.2。

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图2 MET-STiN是很好的拉伸涂层,其硬度可达到Hv3700,
但摩擦系数可低于0.2

◆ 塑料模具

塑料模具由于价格比较贵,故其耐用性更加受到关注。例如所生产的塑料中带有纤维,其硬度容易磨损模具表面,或脱模时需要提高润滑的性能。PVD涂层由于其独有的润滑性及超高的硬度,可以大大改善生产过程中所遇到的上述问题。

1、 铍铜模具或镶件

铍铜的特点是散热快,硬度最高可达洛氏硬度40,一般的铜合金无法比拟。散热快(比钢材快3倍)代表生产周期可以缩短,产量更高。铍铜价格昂贵,比一般塑料钢材贵5倍以上,所以任何的磨损、报废或修磨的成本都很高。基于硬度无法超过洛氏硬度40,所以,表面磨损是其碰到的比较严重的问题。

考虑到硬度及铍铜的特性,金科公司特别为铍铜模具或镶件设计了一套完善的PVD涂层方案,提高了铍铜表面耐磨性,同时又不会降低其导热性高的特性。

2、 精密模具或镶件

现今潮流消费性产品如数码相机、笔记本电脑、手机或PDA产品功能特别多,但外型则向娇小玲珑方向迈进,故该类产品对精密度及材料的选择等方面的要求都大为提高。在选材方面,基于外壳的高保护性能及内部的高强度,一般采用PC+ABS+玻纤材料。而该材料对模具的磨损性或腐蚀性高,所以模具的磨损比较快,而维修精密模具的价格也挺高。

此外,塑料模具一般采用低温回火,因此,所有高温处理的PVD涂层都不适合。这种情况下,MET-CrN是最好的选择。MET-CrN抗化学腐蚀能力强,而且它的硬度也不低于HV2000,足够应付塑料生产所要求的硬度,是塑料模具最佳的选择。

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图3MET-STiN抗化学腐蚀能力强,而且它的硬度也不低于Hv2000,
足够应付塑料生产所要求的硬度,使塑料磨具最佳的选择

而精密模具镶件的特点是误差小、深槽多,要做到不变形及涂层的均衡并不容易。金科对塑料模具的应用了如指掌,确保MET-CrN涂层为客户解决模具磨损的问题。

3、 含尼龙或大批量生产模具

1) 透明塑料瓶是典型大批量生产的制品,其模具在高速生产的情况下,对表面的要求特别高。例如:表面硬度高、抛光至镜面及脱模能力良好等。一般欧美生产商都乐意采用PVD涂层处理来增强模具表面的硬度,且提高润滑脱模能力。由于PVD涂层的高硬度及润滑性能良好,因此能缩短生产周期,提高产量。

2)现今汽车制造商正想方设法在不影响安全、质量的情况下,不断降低汽车的总重量,从而达到省油的目的。工程塑料质轻且强度高,是汽车零部件的良好材料。但如果碰到生产诸如尼龙或加玻纤的工程塑料产品时,不管是什么类型的模具钢材,其表面磨损都特别厉害。为了延长使用寿命,一般欧美汽车生产商均愿意采用PVD涂层。无锡一家大型汽车配件模具及制品生产商知道PVD涂层的好处后,其所有生产尼龙汽车配件的模具均采用了PVD涂层,从而提高了模具的使用寿命。

◆ 压铸模具

压铸模具的生产条件最严苛,在高温的金属溶液,通过高压力注射,并且模具表面不停的热涨冷缩,导致压铸模具的使用寿命很短,在生产时不停的需要修模、维护。PVD涂层可以解决部分压铸模具碰到的问题,但延长其寿命的效果比刀具要相对差些。金科针对此问题研发了PVD涂层前处理的新技术,在改善液体金属粘模和热龟裂方面取得一定成绩。

对PVD涂层特性的几点认识

◆ PVD涂层加工增加了模具制造成本,为何说降低了生产成本呢?

涂层是增加制造模具的成本,约占模具总成本的10%以下。但如果以生产每一件制品的总成本计算的话,由于涂层的功效,延长了模具的寿命、脱模容易、停机维修模具减少等,把生产量提升一倍或缩短生产时间,那么每一件产品的生产成本肯定降低很多。

◆ PVD涂层硬度很高,那么基体钢材就不需要提高硬度了?

这个观念是完全错误的。PVD涂层只是表面一层很薄的(1~4祄)金属陶瓷涂层,它主要是提高表面硬度,增强表面耐磨性,主要是针对平行的摩擦,所以基体的硬度是非常重要的。如果冲压模具的硬度达不到HRc60以上,基体就好像“豆腐”一样,马上会产生塑性变型。因此,不应该因为加了涂层便降低基体的硬度。

◆ 任何材料都可以做PVD涂层吗?

PVD涂层是在高真空、高温(约400℃)的状态下进行处理的,如在这温度下便溶化或释放金属气体的话(例如:锌),便不能做PVD涂层。一般的模具钢和硬质合金并不存在这样的问题。

◆ 准备进行PVD涂层处理的模具,必须提供哪些技术参数?

PVD涂层是在高真空、高温(约400℃)的状态下进行处理的。大多数情况下,模具钢材必须通过热处理才可以把硬度提高到使用环境。所以,回火温度是其中一个重要的参数。如涂层加工等的处理温度超过其回火温度,钢材的晶体马上受到影响。

◆ 涂层是否越厚越好?

涂层越厚其耐磨时间当然越长,但基于PVD涂层厚度与基体的结合力成反比的关系,所以两者衡量之下,PVD涂层不能太厚。经验证明,1~4祄是最适合的涂层厚度。

◆ 加涂层后,为何模具的使用寿命并没有太大的改善?

模具磨损后,一般的模具使用者马上采用涂层,希望单纯的依赖涂层便提高模具的使用寿命,但使用后发现并没有太大的改善。为什么?其实模具加工和生产产品过程涉及很多技术参数,其中包括:模具的设计是否复杂;模具材料:硬度、碳化物数量/大小/硬度、韧性/延展性、淬透性;热处理:奥氏体化温度/时间、淬火介质、回火温度/时间;模具制作:机械加工、电火花加工、 研磨加工、抛光、补焊;被加工材料:硬度、延展性、厚度;生产状态:模具间隙、 润滑油、冲压速度等。所以要改善生产效果,必须从模具设计、材料选择、加工模具过程、热处理、被加工材料特性等各方面一并考虑,寻找整个生产过程中最大的技术缺点,且就涂层的特点加以配合,方可达到涂层延长模具使用寿命的效果。

◆ PVD涂层和镀铬、镀镍的原理是否相同?

镀铬和镀镍是通过普通的电解原理制造的涂层,但PVD涂层是通过等离子体的沉积技术。PVD涂层可以在1~4祄的范围,而电镀工艺绝对无法达到这样的范围。镀铬的硬度约为HRc70,而PVD涂层硬度可达到HRc85以上。

◆ PVD涂层的摩擦系数说明了什么?它是否等同于润滑性?

表面润滑性能与摩擦系数和光洁度有关。摩擦系数只能部分反映其润滑性,而涂层与工件之间真正的润滑性还需要由被涂的工作面的光洁度来决定。一般情况下,涂层后的光洁度等于或小于该被涂工件的表面光洁度。所以涂层不可能改善被涂工件的光洁度,只可以改善其摩擦系数。

PVD涂层在模具行业的应用潜力巨大

PVD表面涂层在华南地区的模具生产商中已广泛应用,他们认同PVD涂层可以延长模具寿命,从而降低生产成本的事实。另一方面,有数据显示:华东、中南地区所生产的压铸组件超过70%,年产值约合480亿元人民币。随着国内模具的逐步高品质化,模具对PVD表面涂层处理的需求将不断增加,潜力巨大。

 

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