【摘要】本文通過對精沖模具表面鍍膜工藝和鍍膜成分進行優(yōu)化，提高鍍膜的綜合性能，使得沖裁模具的使用壽命得到了有效提高。對比了氮化鈦和氮鋁化鈦鍍膜的性能。經(jīng)過改進后氮鋁化鈦鍍膜的顯微硬度達到3200HV0.05，對鋼的干摩擦系數(shù)降到0.30-0.35。同時，將精沖模具的平均使用壽命提高了35.5%。

【關(guān)鍵詞】真空鍍膜；沖裁模具；氮化鈦；氮鋁化鈦

模具元件是在高壓和高溫（剪切口）條件下進行沖裁。精沖成型模具中凹模和凸模的壽命提高一直是工程技術(shù)的研究重點。模具材料表面處理技術(shù)中的使用物理氣相沉積技術(shù)在工件表面制備了厚度約為3-5 μm的含鈦化合物強化層，以提高其使用壽命。本文研究了一種新的鍍膜工藝技術(shù)，通過改進工藝以提高精沖模具的使用壽命。

1.模具的失效形式

在Finetool精沖機上的凸凹模失效的主要形式是氧化磨損。精沖的高溫和腐蝕介質(zhì)（潤滑劑）使得模具的煙花磨損加劇。在高速沖裁時，模具表面的強化表層被破壞，使得金屬表面的粘附摩擦嚴重。在沖裁冷軋鋼板和調(diào)質(zhì)鋼板上，出現(xiàn)了端面磨損和月牙磨損，及其綜合形式的磨損。

這些磨損缺陷，導致模具的使用壽命急劇下降，同時帶來不合格率的上升。同時，模具的修復(fù)和停機等故障，將帶來更大的經(jīng)濟損失。

2.模具材料的選擇

在起初的設(shè)計中，S6-5-3是優(yōu)先被考慮選用的材料。S6-5-3屬于德國鎢鉬系韌性高速工具鋼，該鋼的碳化物顆粒細小均勻，具有耐沖壓、韌性高、熱塑性好、切削性能優(yōu)良等特點，并具有良好的耐磨性能。尤其是可抵抗600℃左右的高溫，不易軟化，紅硬性良好，硬度可達64HRC；并且實踐表明其耐磨性比高鉻鋼高約2倍，韌性強約1.5倍。

考慮模具的壽命和生產(chǎn)經(jīng)濟性，常選用S6-5-2為精沖模具的優(yōu)先選材。德國DIN標準S6-5-2（1.3343）高速鋼的化學成分如下表1所示。

熱處理規(guī)范為：淬火溫度1200℃，冷卻介質(zhì)為氣冷+鹽浴，回火溫度560℃，三次回火，熱后保溫2h/次，最終的工件硬度為64HRC。

3.凸凹模具的鍍膜前處理

3.1表面拋光

為了達到較好的鍍膜結(jié)合力要求，模具的前處理非常重要。對模具實現(xiàn)手工拋光，表面粗糙度達到Ra≤0.002μm。

3.2表面噴砂處理

為了去除模具表面的氧化層，模具在鍍膜前使用較細小的白鋼玉，進行表面噴砂處理。

使用500目左右的金剛砂，噴槍的壓力在3巴，槍口距離模具表面200mm，均勻掃描鍍膜表面。

3.3表面清洗

噴砂后，在不超過2小時內(nèi)，進行表面化學清洗。模具在進入鍍膜設(shè)備中，表面清潔質(zhì)量非常重要。導致鍍膜結(jié)合力不合格的主要因素來源于模具鍍膜表面污染。

4.模具表面鍍膜處理工藝改進

以往鍍膜處理工藝使用鈦Ti和氮氣N2作為原材料，最終得到的是在模具表面涂覆上一層氮化鈦TiN強化層。工藝設(shè)計改進后，選用了鈦鋁混合靶材作為鍍膜的材料，增加功能TiAlN強化層。鍍膜工藝參數(shù)及成分如下。

本次工件的鍍膜成分選用了鈦鋁混合濺射材料。工藝參數(shù)：

1）首先，抽真空至6.0×10-3Pa時，加熱至200℃；

2）充入氬氣，真空度降至2～3帕，接通工件偏壓電源，對工件進行轟擊清洗；

3）沉積鈦底層，真空度調(diào)至3.0×10-1Pa，偏壓調(diào)至500V，逐個引燃弧源；

4）沉積氮化鈦鋁薄膜，真空度3～5×10-1Pa，工件偏壓調(diào)至170至200V，

5）通入氬氣后沉積氮化鈦鋁，其中氬氣的分壓在0.5～0.8×10-1Pa，脈沖占空比40～60%，弧電流50～80A，時間10～30min，沉積溫度控制在400～450℃。

5.鍍膜質(zhì)量測試和分析

5.1測試儀器

針對鍍膜的使用特性，進行鍍膜質(zhì)量測試。

使用DF-PM動/靜摩擦系數(shù)精密測定儀，評價摩擦磨損性能，測定鍍膜在室溫、載荷分別為1N和3N下的摩擦系數(shù)，上試樣為直徑為3mm的GCr15鋼球（硬度64HRC），下試樣為制得的TiAlN鍍膜層，摩擦速率70mm/min，單次行程10mm，環(huán)境溫度26℃，空氣相對濕度約50%。

使用瑞士CSM公司NHT2納米壓入測試儀（0.1～500mN），測定鍍膜的硬度。

5.2鍍膜性能測試分析

圖1展示出了不同載荷下兩種涂層摩擦系數(shù)隨往復(fù)次數(shù)變化的關(guān)系曲線?？梢娫趦煞N載荷作用下，兩種涂層的摩擦系數(shù)均隨時間的延長而增大，并逐漸趨于穩(wěn)定，改進后的TiAlN鍍膜層的摩擦系數(shù)較低。這是因為相應(yīng)的TiAlN鍍膜層的晶粒細小，表面孔洞缺陷較少，粗糙度低所致。

摩擦系數(shù)隨往復(fù)次數(shù)的增加而逐漸增大，這歸因于多個方面。涂層表面吸附的有機或無機污染物薄層，使得初期摩擦系數(shù)較低，當該吸附層磨損脫落后，摩擦系數(shù)逐漸增大。

但是TiN鍍膜層的摩擦系數(shù)的該種變化不明顯，可能是由于相應(yīng)的TiN涂層表面質(zhì)量有關(guān)，吸附污染層能力較弱。同時，摩擦過程中產(chǎn)生的硬質(zhì)TiN磨粒增強了犁削作用，使摩擦系數(shù)逐漸增大。

在較高的載荷下涂層表面的有機或無機污染物迅速被磨除，因此在3N載荷下TiN和TiAlN鍍膜層的摩擦系數(shù)均迅速升高。最終摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定，這可能是由于偶件磨損表面產(chǎn)生的磨屑在鍍膜層表面發(fā)生堆積，并進而形成轉(zhuǎn)移層。

工藝改進后，兩種鍍膜的性能，經(jīng)過測試比較如下表2所示。其中實際最高工作溫度均由工作設(shè)備提供，同時鍍膜層的顯微硬度明顯提高。

本次工藝改進后，得到的鍍膜表面質(zhì)量，如下圖1所示。如圖2（a， b）所示。

經(jīng)過后續(xù)拋光后，表面粗糙度都能達到Ra0.15，表面對鋼的摩擦系數(shù)有了比較好的改善。而且表面硬度有了較大的提高。

通過SEM觀察，沒有發(fā)現(xiàn)基體和膜層結(jié)合界面，以及鍍膜過渡界面上的危險缺陷存在，如圖3所示。

5.3工件使用壽命對比

沖裁模鍍膜工藝改進后，模具平均使用壽命，由改進前的2.2萬沖次，提高到2.98萬沖次，約提高了35.5%的平均使用壽命。

6.工藝改進結(jié)論

（1）氮鋁化鈦鍍膜的機械性能得到了明顯的改善，膜層的硬度從2100HV0.05提升至3200HV0.05；干摩擦系數(shù)從最大0.45，減低到最低0.30，并且在試驗室的最高工作溫度提高到950攝氏度。有效的優(yōu)化了鍍膜的機械性能，有效的保護了沖模，延長了其使用壽命。

（2）通過改變普通氮化鈦鍍膜的成份后，改善了鍍膜的微觀結(jié)構(gòu)，使得其綜合性能得到優(yōu)化；使得氮鋁化鈦鍍膜在沖裁模上的應(yīng)用得到肯定。