摘要：随着科学技术的发展，我国的PVC涂层技术有了很大进展，本文简要说明了目前汽车模具上主要应用的PVD涂层及其技术发展现状，探讨了汽车模具表面PVD涂层抗磨损保护的实际效果、作用机理等，着重介绍了在汽车模具上具有较高应用价值和广阔应用前景的TiN涂层，并列举了PVD涂层被成功运用于某车型后门内板模具来解决零件拉毛严重的实例。分别从涂层本征应力的控制、涂层界面应力的控制和深冷处理3个方面出发，重点阐述了具有优异表面抗磨损性能的PVD涂层与基体之间结合强度的改善方法。
关键词：PVD涂层;模具;残余应力;结合力
引言
随着汽车车身冲压件结构、造型复杂化及高强度板应用比例不断提高，冲压生产过程中的拉毛表面质量缺陷不断显现，除了要求冲压模具基体具有足够高的强度和韧性外，还要求其表面具备良好耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等，以保证冲压模具的工作性能、使用寿命及冲压件表面质量。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，而通过模具表面处理，往往可以收到事半功倍的效果。
1汽车模具PVD涂层技术
物理气相沉积(简称PVD)是指通过物理方法在真空条件下将固体或液体材料蒸发成气态原子、分子或离子状态，并采用低压气体(或等离子体)工艺，在基板表面上沉积具有特殊功能膜的技术，主要包括真空蒸发、阴极溅射、离子镀等。用这种技术制作的超硬涂层不仅超硬、超薄、耐高温、无污染，还可满足工具、零件和摩擦磨损部件的特殊性能要求，同时具有耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性和自润滑性。它还可以有效地解决传统汽车模具表面处理方法的弊端，是现代表面工程中最具前景和应用价值的技术之一。物理气相沉积技术最初用于模具和工具上。通过沉积TiC涂层，可以有效延长模具的使用寿命;在模具的某些部件的工作表面上沉积涂层，改善了部件的耐磨性和抗碎裂性。同时，涂层部件还具有高硬度、高化学稳定性、高韧性和低摩擦系数。目前，诸如(TiAl)N、TiCrN的超硬沉积材料和诸如TiC/Ti(C，N)/TiN的多镀层材料已应用于生产。
2复合PVD涂层技术工艺验证
在涂层厂家进行了镶块底面变形量检测，但由于镶块型面形状不规则，底面变形量检测不能准确、完全反应基材变形情况。工艺验证时，看装配过程中的定位销匹配难易程度、装配后镶块间隙及段差进行变形量的判定。复合PVD涂层技术处理后的模具镶块可直接在原位置重新安装，无额外的研配工作，且装配完成之后的镶块拼缝间隙、台阶段差均为0.1mm左右，满足模具相关标准。复合PVD涂层技术处理的模具镶块装配过程很顺利，镶块拼缝状态基本和处理前一致。通过批量生产验证，发现能够有效解决冲压件生产拉毛问题。
3PVD涂层本征应力的控制
3.1改善沉积工艺
由涂层化学结构的差异引起的本征应力也不同。采用国产离子镀和空心阴极离子镀复合镀膜机，通过改变脉冲偏压值制备了具有不同大小残余压应力的(Ti，A1)N涂层，随着脉冲偏压值的增加，涂层的本征应力表现为先减小后增大的趋势，涂层中“大颗粒熔滴”现象能够得到减轻。与此同时，涂层的质量和力学性能均得到改善，包括涂层的硬度、涂层与基体间的结合力等。因为随着沉积偏压的逐步增加，当溅射原子的能量足以注入涂层时，涂层的应力由于原子注入效应而增加，并且当能量进一步增加时，由于热峰效应，涂层应力被逐渐释放，即压应力降低。此外，对于PVD法制备的类金刚石涂层(简称DLC涂层)，影响其本征应力的最重要的参数之一是氢含量。涂层中氢含量的增加，导致涂层中一键发生扩向扩键转变，涂层中的残余应力随着一键的数量增加而得以释放，并形成软的类聚合物材料。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆例如，随着沉积偏压从－100V增加到－1200V，涂层内应力可从－4．7Pa减小到－0GPa。
3.2复合PVD涂层与TD覆层在高强度镀锌板冲压模具上的对比
高强度镀锌板冲压模具经模具表面处理，可优化生产过程中脱锌粉现象，但无法完全消除，特别是镶块拼缝处。为验证复合PVD涂层与TD覆层在高强度镀锌板冲压模具上对改善脱锌粉现象的效果，对前地板中央通道右连接板对应的模具进行TD覆层处理。通过批量生产验证，发现复合PVD涂层对改善脱锌粉现象优于TD覆层。
3.3掺杂金属或非金属元素
掺入某些金属元素能够不同程度地降低DLC涂层内应力及提高DLC膜基结合强度。例如以甲烷作为气源，采用反应磁控溅射沉积Me-DLC(W，Mo，Nb，Ti)时，在较小气体流量和掺杂的金属粒子含量较多的情况下，所制备涂层的最小内应力几乎可以被忽略掉，同时当气体流量不断增加后，金属掺杂的DLC涂层的内应力(＜1GPa)均比纯DLC(约为3GPa)低。
4工艺验证结论
（1）复合PVD涂层能够有效解决高强度板冲压件生产拉毛问题，表面处理镶块变形量小，镶块拼缝质量比TD覆层好，大大缩短了模具装配时间和调试周期和成本，镶块拼缝处零件质量与表面处理前基本一致。（2）复合PVD涂层工艺温度500℃左右，基本对模具基材性能无影响，可重复涂层次数达5～10次，较TD覆层有极大优势，可适用于需求冲次20万以上的冲压模具，便于重复处理，减少模具复制。（3）最终采用何种措施来解决工件的拉伤问题，除要考虑效果的有效性外，还必须考虑产品的批量大小、实现的难易程度及其经济性等方面的问题，最后再选择最合适的方法。
5深冷处理
相比退火处理，深冷处理不仅能够使材料的力学性能和使用寿命得到不同程度的提高，材料的微观组织结构也趋于致密化、微细化和均匀化，而且深冷处理也能对材料内部及表面应力状态进行合理的调整。通过对DLC/淬火态高速钢复合体系进行－196℃液氮环境下保温30h处理后发现，深冷处理在保持涂层硬度不降低的情况下，使膜基结合力提高了约20%。经过30h的深冷处理，在淬火的W9高速钢基体中发生马氏体相变和马氏体细化分解，并且基体的马氏体晶界增加，涂层元素C扩散到基板表面层中的短程通道增多，促进DLC涂层一部分的C元素扩散到基体表层的晶界处，并且在温度从－196℃恢复到室温过程中，扩散而来的C与其他元素聚积形成新的碳化物，增强了DLC涂层在基体上的钉扎效应，以达到提高DLC涂层/淬火W9高速钢复合体系结合强度的目的。这种成分和组织的变化，导致DLC/W9高速钢复合体系中涂层残余应力的降低，而且基体残余应力分布变得均匀，在划痕或压痕的破坏试验下表现为涂层剥落明显减少。
结束语
综上所述，PVD涂层由于其良好的性能而被广泛用于各种类型的汽车模具中，取得了巨大的经济效益，特别是汽车模具的耐磨性、寿命以及生产出的零件质量等得到了大幅提升。为了应对全球高质量、低价格、长寿命的模具竞争要求，有必要对PVD涂层技术在模具上进行多样化、复合化和纳米化的扩展应用，并进行PVD涂层性能、结合强度、新工艺和新材料等方面的广泛研究。
参考文献
［1］谢晖，凌鸿伟．基于Archard理论的热冲压模具磨损分析及优化［J］．热加工工艺，2016，45(1):100－104．
［2］张涛，樊文欣，郭代峰，等．基于BP神经网络的温挤压模具磨损量预测［J］．锻压技术，2017，42(2):178－182．
［3］徐戊矫，刘承尚，马欣，等．基于混合磨损模型的模具轮廓优化设计［J］．中南大学学报(自然科学版)，2018，49(3):544－552．
论文作者:郭贵楠
论文发表刊物:《基层建设》2019年第11期
论文发表时间:2019/8/15
标签：涂层论文; 模具论文; 应力论文; 基体论文; 覆层论文; 冷处理论文; 性能论文; 《基层建设》2019年第11期论文;