行業(yè)動(dòng)態(tài) 當(dāng)前位置:主頁(yè) > 關(guān)于丹普 > 動(dòng)態(tài)資訊 > 行業(yè)動(dòng)態(tài) >
物理氣相沉積PVD Ti/TiN涂層提高冷沖模具壽命研究
發(fā)布時(shí)間：2020-05-26
1、前言
隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，汽車配套零件的需求量大幅度增加。其中，冷加工件的質(zhì)量、產(chǎn)量和生產(chǎn)成本往往取決于冷作模具的工作條件及有效使用壽命。例如冷沖模具“控制臂翻邊凸模”（Cr12MoV），在大批量的生產(chǎn)過(guò)程中，大約經(jīng)過(guò)2500次冷沖后就會(huì)導(dǎo)致冷沖件尺寸不合格造成報(bào)廢。經(jīng)失效分析其主要原因是模具的摩擦學(xué)性能差，低的耐磨性和耐粘著性容易使模具的翻邊圓角和翻邊直壁磨損。為提高冷作模具使用壽命，在冷作模具上沉積TiN等硬質(zhì)涂層是一有效途徑，采用離子氮化+物理氣相沉積硬質(zhì)涂層則可進(jìn)一步提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度及涂層的耐磨性，但由于模具工作條件的復(fù)雜性，所以在這方面的應(yīng)用報(bào)道還比較少。
本文用非平衡磁控濺射沉積涂層的方法，研究了Cr12MoV冷作模具鋼經(jīng)PVD Ti/TiN涂層（以下簡(jiǎn)稱:單一處理）和低溫等離子氮化涂層（以下簡(jiǎn)稱:雙重處理）后的耐磨性、磨損機(jī)理以及相關(guān)的表面性能。
2、試驗(yàn)方法和內(nèi)容
2.1 試樣準(zhǔn)備
以Cr12MoV為基體材料，加工成30*3*7mm3規(guī)格的試樣，經(jīng)高淬高回?zé)崽幚恚?100℃真空淬火和520℃×1.5h兩次回火），硬度為61HRC。再經(jīng)砂紙研磨（從粗砂到03#），最后用W2.5金剛石研磨膏拋光。試樣在涂層前經(jīng)嚴(yán)格的清洗、除銹和除油。
雙重處理涂層的制備工藝為：試樣先在LD-8100型離子氮化爐中進(jìn)行離子氮化，氮化溫度500℃，氮化時(shí)間5h，真空度480～520Pa，工作電流30～40A。隨后沉積Ti/TiN涂層（工藝同單一處理）。
2.2 涂層表面性能測(cè)試
用HX-1000顯微硬度機(jī)，測(cè)定一系列載荷和（10g，25g，50g，100g，300g，500g，1000g）作用下的表面顯微硬度值。并且，在HITACHS-570電子掃描顯微鏡（SEM）和光學(xué)顯微鏡（OM）下觀察相應(yīng)的顯微壓痕形貌，定性地分析涂層的表面承載能力及韌性。
用劃痕試驗(yàn)評(píng)估涂層與基體結(jié)合狀況。本實(shí)驗(yàn)采用半徑為200μm金剛石劃針（Stylus），以100N/min的加載速率連續(xù)加載，同時(shí)以10mm/min的速率劃過(guò)試樣表面，劃痕位移為5000um，在劃擦過(guò)程中，所加載荷由最初的10N增加到設(shè)定的60N。儀器同時(shí)記錄摩擦力-載荷等曲線。此外，使用OM和SEM觀察劃痕形貌，由此定性地得出表面與基體的結(jié)合強(qiáng)度大小。
2.3 磨損試驗(yàn)
磨損試驗(yàn)在MM-200型國(guó)產(chǎn)磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，以矩形涂層試樣（30*3*7mm3）為上試樣，表面等離子氮化的Cr12MoV鋼（1200Hv）滾輪（Φ40mm×10mm）為對(duì)磨試樣。磨損試驗(yàn)條件為:沖擊式磨損（17次/min），轉(zhuǎn)速200r/min（線速度為0.42m/s），20#機(jī)油潤(rùn)滑，載荷15kg，對(duì)磨0.5、1、3、6、9h，用磨損后的磨痕體積來(lái)衡量磨損量，計(jì)算公式為（1）式，同時(shí)利用OM和SEM觀測(cè)磨損試樣表面的磨痕形貌。
其中，V：磨痕體積，B：磨痕寬度，R：輪子半徑，L：磨痕長(zhǎng)度。
2.4 應(yīng)用試驗(yàn)
本試驗(yàn)冷沖模具“控制臂翻邊凸模”由某公司轎車底盤廠提供，模具經(jīng)PVD Ti/TiN涂層后在JH20-100型開式可傾壓力機(jī)上試驗(yàn)，公稱力為1000kN，主電機(jī)功率75kW。
3、結(jié)果和討論
3.1 顯微硬度試驗(yàn)
圖1為表面硬度和載荷曲線，由圖可見(jiàn)，未表面處理（高淬高回）試樣的硬度值基本是不隨載荷的變化而變化，而單一處理和雙重處理試樣的表面硬度則是隨載荷的增加而減小，而且，在同樣載荷下雙重處理試樣的硬度要比單一處理的高。同時(shí)從不同載荷下兩種處理試樣顯微壓痕形貌觀測(cè)（見(jiàn)表1）結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在較低載荷下（10g～300g），兩類試樣壓痕周圍和內(nèi)部都無(wú)明顯的裂紋出現(xiàn)，而當(dāng)載荷較高（500g、1000g）時(shí)，單一處理試樣壓痕內(nèi)部出現(xiàn)較多巢狀裂紋（圖2），而雙重處理試樣則較少。
顯然，在Cr12MoV鋼上沉積Ti/TiN涂層提高了材料的表面承載能力，特別是雙重處理。這是因?yàn)樵谳^小載荷（如10g）作用下，涂層-基體體系是以涂層的塑性變形為主的，承載能力主要來(lái)自于硬、韌的Ti/TiN涂層，所以單一處理和雙重處理試樣顯示出高的顯微硬度值，壓痕周圍無(wú)明顯的裂紋出現(xiàn)。隨著載荷的增大，基體對(duì)測(cè)試硬度的影響逐漸增大，雙重處理試樣因有基體離子氮化產(chǎn)生的強(qiáng)化層對(duì)涂層的有力支撐作用，因而顯示出比單一處理試樣更好的承載能力，而且，離子氮化減少了涂層-基體界面大的應(yīng)力梯度，因此在高載荷如1000g下，壓痕周圍顯示比單一處理試樣少的巢狀裂紋。
3.2 劃痕試驗(yàn)
圖3是單一處理和雙重處理試樣的劃痕試驗(yàn)結(jié)果（摩擦力-載荷曲線）?？梢钥闯鲭S著載荷的增加，兩類試樣切向摩擦力基本都呈線形增加，單一處理的摩擦力更大一些，而且兩者都沒(méi)有出現(xiàn)摩擦力突然增大的峰值。單一處理試樣摩擦系數(shù)大約保持在0.2左右（摩擦力-載荷曲線的斜率μ=F/N），而雙重處理試樣約為0.15。
因摩擦力-載荷曲線沒(méi)有顯示出突然增大的摩擦力峰，顯然，涂層還沒(méi)有發(fā)生完全破壞，所以在Cr12MoV基體上沉積TiN涂層具有高的臨界載荷（Lc），即Lc大于60N，而且可以預(yù)測(cè)雙重處理有更高的臨界載荷，因?yàn)殡x子氮化過(guò)程產(chǎn)生的離子濺射效應(yīng)，會(huì)使基體表面產(chǎn)生微觀的凹凸不平，因此增加了TiN涂層與基體的機(jī)械鉗合作用;其次Fe、N、Cr、Ti內(nèi)擴(kuò)散層的形成和對(duì)界面應(yīng)力梯度的降低，也對(duì)結(jié)合力提高起到影響;而且由于中間硬化層的效應(yīng)，TiN裂紋的擴(kuò)展只有在基材界面上才能進(jìn)行，延長(zhǎng)了裂紋移動(dòng)路徑，因此大大增加了TiN結(jié)合力。
3.3 磨損試驗(yàn)
為了更好地評(píng)價(jià)在Cr12MoV鋼基體上單一處理和雙重處理涂層的耐磨性，本實(shí)驗(yàn)采用高淬高回（未表面處理）Cr12MoV鋼作為對(duì)比材料。表2是三種試樣不同磨損時(shí)間下的磨損體積。從表2中可以清楚地看到，單一處理和雙重處理后試樣的磨損量明顯低于未表面處理試樣。當(dāng)磨損9h時(shí)，未表面處理試樣的磨損量是單一處理試樣的14倍左右，是雙重處理試樣的23倍左右。很明顯，經(jīng)表面處理后試樣耐磨性都得到了提高，特別是經(jīng)過(guò)雙重處理的耐磨性更好。
圖4、5、6是三種試樣磨損形貌的低倍照片及SEM細(xì)節(jié)，可以看出未表面處理試樣磨損形貌為典型的犁溝（見(jiàn)圖4a），而且高倍的SEM照片也顯示了嚴(yán)重的犁溝（見(jiàn)圖4b），而經(jīng)表面處理的試樣磨損形貌都為非常光滑的表面，即無(wú)明顯的塑性流動(dòng)、微裂紋和脆性的跡象（見(jiàn)圖5和圖6）。
通常，材料的硬度越高，耐磨粒磨損性能越好。在滑動(dòng)磨損試驗(yàn)過(guò)程中，未表面處理試樣的Ha/Hm值（這里Ha指對(duì)磨試樣表面硬度，Hm指上試樣表面硬度）約為1.5左右，因此按M.M赫魯曉夫的結(jié)論，試樣會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的平行于滑動(dòng)方向的犁溝，同樣，對(duì)于表面處理過(guò)的試樣，Ha/Hm約為0.4，對(duì)磨試樣硬的粗糙峰對(duì)上試樣只是起到拋光作用，所以，試樣顯示出比較光滑的磨痕。而且從磨損形貌看（圖5b和圖6b），雙重處理顯示比單一處理更光滑的磨損表面，這主要?dú)w因于離子氮化提高了材料的表面承載能力和涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，降低了磨損過(guò)程中表面和次表面的剪切變形，使涂層在一定外加載荷沖擊作用下不易剝落而造成三體磨粒磨損。
3.4 應(yīng)用試驗(yàn)
對(duì)經(jīng)PVD Ti/TiN單一處理的模具進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用試驗(yàn)，該冷沖模具實(shí)際使用壽命由原來(lái)的約2500次增加到6650次，即模具實(shí)際使用壽命提高了2倍多，而且從模具磨損后的失效形貌發(fā)現(xiàn)磨損部位為光滑的表面，屬于逐漸磨損，沒(méi)有出現(xiàn)涂層剝落的痕跡，這與試樣的磨損試驗(yàn)結(jié)果相一致。
4、結(jié)論
?。?）在Cr12MoV鋼上沉積Ti/TiN涂層能顯著地提高Cr12MoV鋼的表面硬度及承載能力。而且，先進(jìn)行低溫等離子氮化處理的雙重處理更能改善涂層-基體結(jié)合條件，顯著提高涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度，這歸因于Ti/TiN涂層強(qiáng)化和韌化的作用以及中間氮化層的強(qiáng)化作用。
?。?）硬、韌和低摩擦系數(shù)的Ti/TiN涂層大大地提高了Cr12MoV鋼的耐磨性，與未經(jīng)表面處理試樣比較，單一處理和雙重處理試樣磨損形貌都為比較光滑的表面，而且在磨損時(shí)間相同的條件下，雙重處理比單一處理有更少的磨損量。
?。?）應(yīng)用試驗(yàn)結(jié)果表明：模具經(jīng)PVD Ti/TiN涂層后，其使用壽命提高了2倍多。
文章來(lái)源：上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，王君麗 施 雯
文章來(lái)源：上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，王君麗 施 雯
聲明：本站部分圖片、文章來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，版權(quán)歸原作者所有，如有侵權(quán)，請(qǐng)點(diǎn)擊這里聯(lián)系本站刪除。
| 返回列表 | 分享給朋友： |
京公網(wǎng)安備 11010502053715號(hào)