冲裁模真空镀膜层工艺及成分的设计.doc

冲裁模真空镀膜层工艺及成分的设计 　　【摘要】本文通过对精冲模具表面镀膜工艺和镀膜成分进行优化，提高镀膜的综合性能，使得冲裁模具的使用寿命得到了有效提高。对比了氮化钛和氮铝化钛镀膜的性能。经过改进后氮铝化钛镀膜的显微硬度达到3200HV0.05，对钢的干摩擦系数降到0.30-0.35。同时，将精冲模具的平均使用寿命提高了35.5%。 　　【关键词】真空镀膜；冲裁模具；氮化钛；氮铝化钛 　　模具元件是在高压和高温（剪切口）条件下进行冲裁。精冲成型模具中凹模和凸模的寿命提高一直是工程技术的研究重点。模具材料表面处理技术中的使用物理气相沉积技术在工件表面制备了厚度约为3-5 μm的含钛化合物强化层，以提高其使用寿命。本文研究了一种新的镀膜工艺技术，通过改进工艺以提高精冲模具的使用寿命。 　　1.模具的失效形式 　　在Finetool精冲机上的凸凹模失效的主要形式是氧化磨损。精冲的高温和腐蚀介质（润滑剂）使得模具的烟花磨损加剧。在高速冲裁时，模具表面的强化表层被破坏，使得金属表面的粘附摩擦严重。在冲裁冷轧钢板和调质钢板上，出现了端面磨损和月牙磨损，及其综合形式的磨损。 　　这些磨损缺陷，导致模具的使用寿命急剧下降，同时带来不合格率的上升。同时，模具的修复和停机等故障，将带来更大的经济损失。 　　2.模具材料的选择 　　在起初的设计中，S6-5-3是优先被考虑选用的材料。S6-5-3属于德国钨钼系韧性高速工具钢，该钢的碳化物颗粒细小均匀，具有耐冲压、韧性高、热塑性好、切削性能优良等特点，并具有良好的耐磨性能。尤其是可抵抗600℃左右的高温，不易软化，红硬性良好，硬度可达64HRC；并且实践表明其耐磨性比高铬钢高约2倍，韧性强约1.5倍。 　　考虑模具的寿命和生产经济性，常选用S6-5-2为精冲模具的优先选材。德国DIN标准S6-5-2（1.3343）高速钢的化学成分如下表1所示。 　　热处理规范为：淬火温度1200℃，冷却介质为气冷+盐浴，回火温度560℃，三次回火，热后保温2h/次，最终的工件硬度为64HRC。 　　3.凸凹模具的镀膜前处理 　　3.1表面抛光 　　为了达到较好的镀膜结合力要求，模具的前处理非常重要。对模具实现手工抛光，表面粗糙度达到Ra≤0.002μm。 　　3.2表面喷砂处理 　　为了去除模具表面的氧化层，模具在镀膜前使用较细小的白钢玉，进行表面喷砂处理。 　　使用500目左右的金刚砂，喷枪的压力在3巴，枪口距离模具表面200mm，均匀扫描镀膜表面。 　　3.3表面清洗 　　喷砂后，在不超过2小时内，进行表面化学清洗。模具在进入镀膜设备中，表面清洁质量非常重要。导致镀膜结合力不合格的主要因素来源于模具镀膜表面污染。 　　4.模具表面镀膜处理工艺改进 　　以往镀膜处理工艺使用钛Ti和氮气N2作为原材料，最终得到的是在模具表面涂覆上一层氮化钛TiN强化层。工艺设计改进后，选用了钛铝混合靶材作为镀膜的材料，增加功能TiAlN强化层。镀膜工艺参数及成分如下。 　　本次工件的镀膜成分选用了钛铝混合溅射材料。工艺参数： 　　1）首先，抽真空至6.0×10-3Pa时，加热至200℃； 　　2）充入氩气，真空度降至2～3帕，接通工件偏压电源，对工件进行轰击清洗； 　　3）沉积钛底层，真空度调至3.0×10-1Pa，偏压调至500V，逐个引燃弧源； 　　4）沉积氮化钛铝薄膜，真空度3～5×10-1Pa，工件偏压调至170至200V， 　　5）通入氩气后沉积氮化钛铝，其中氩气的分压在0.5～0.8×10-1Pa，脉冲占空比40～60%，弧电流50～80A，时间10～30min，沉积温度控制在400～450℃。 　　5.镀膜质量测试和分析 　　5.1测试仪器 　　针对镀膜的使用特性，进行镀膜质量测试。 　　使用DF-PM动/静摩擦系数精密测定仪，评价摩擦磨损性能，测定镀膜在室温、载荷分别为1N和3N下的摩擦系数，上试样为直径为3mm的GCr15钢球（硬度64HRC），下试样为制得的TiAlN镀膜层，摩擦速率70mm/min，单次行程10mm，环境温度26℃，空气相对湿度约50%。 　　使用瑞士CSM公司NHT2纳米压入测试仪（0.1～500mN），测定镀膜的硬度。 　　5.2镀膜性能测试分析 　　图1展示出了不同载荷下两种涂层摩擦系数随往复次数变化的关系曲线。可见在两种载荷作用下，两种涂层的摩擦系数均随时间的延长而增大，并逐渐趋于稳定，改进后的TiAlN镀膜层的摩擦系数较低。这是因为相应的TiAlN镀膜层的晶粒细小，表面孔洞缺陷较少，粗糙度低所致。 　　摩擦系数随往复次数的增加而逐渐增大，这归因于多个方面。涂层表面吸附的有机或无机污染物薄层，使得初期摩擦系数较低，当该