PVD涂层--延长模具使用寿命的灵丹妙药www.tool-tool.com

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：

● 耐高温（最高达到1200℃）：不容易氧化，改善干切削和 压铸 ● 化学屏障/导热率低：可有效防止因高温导致硬质合金 刀具 ● 厚度只有1～4祄 ：涂层后不影响产品最终尺寸。

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、 五金冲压模具

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。

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。

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。

引用出處：

http://www.jdzj.com/Article/200911/20091127141950_68701.html

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BW специализируется в научных исследованиях и разработках, и снабжаем самым высокотехнологичным карбидовым материалом для поставки режущих / фрезеровочных инструментов для почвы, воздушного пространства и электронной индустрии. В нашу основную продукцию входит твердый карбид / быстрорежущая сталь, а также двигатели, микроэлектрические дрели, IC картонорезальные машины, фрезы для гравирования, режущие пилы, фрезеры-расширители, фрезеры-расширители с резцом, дрели, резаки форм для шлицевого вала / звездочки роликовой цепи, и специальные нано инструменты. Пожалуйста, посетите сайт www.tool-tool.com для получения большей информации.

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超薄刀具的熱處理www.tool-tool.com

超薄件一般是指厚度比小於1/20的工件。超薄刀具在刀具熱處理行業中是一種很難加工的產品。但做為全國複雜刀具生產大型定點廠家，我們在生產過程中卻經常遇到這種超薄刀具。根據以往經驗，在通常情況下超薄刀具熱處理工藝操作如下：

裝爐：

箱式爐?采用平放於爐底，且注意爐底是否平整

鹽浴爐?將產品垂直吊掛在爐中

加熱溫度的選擇：

適當提高淬火溫度，以增加淬火後殘餘奧氏體含量。由於奧氏體的比體積較馬氏體組織小，可部分抵消由於組織轉變所引起的淬火畸變；同時奧氏體的塑性好有利於淬火後熱校直。

淬火過程熱校直：

利用冷卻過程的“相變超塑性”直接進行校直，且使用專用卡具在每片產品間加入墊片，加壓夾持。如圖1、圖2 所示為密齒鋸片簡圖及所使用的卡具。

回火：

回火過程始終夾持在專用卡具中。

使用該熱處理工藝我們曾經大量生產過密齒鋸片等超薄刀具，但經常出現碎裂現象。這就給生產造成不少損失。

隨 著各行業生產的發展，企業間的競爭加強，不僅刀具產量加大，刀具內在質量的提高、成本的降低以及刀具複雜度都上升到一個新高度。超薄刀具也是這樣， 其中，葉根銑刀就是一個極具代表性的個例。它不僅是一種超薄件，而且其有效尺寸變化極多，刀具精度也很高，這都增加了產品的熱處理難度。其外觀示意簡圖 (見圖3) 。由於其形狀複雜，如按以往經驗生產，除所需卡具製作難度大外，其產品批次少，造成卡具使用率低，也使卡具成本提高。同時，由於該產品加工難度大，如出現 碎裂勢也會造成刀具成本加大。為此，我們依據熱處理原理，根據以往工作經驗大膽製定了新的工藝方案。

1 技術要求及熱處理工藝

技術要求：

材料：W9Mo3Co4V

規格：f240×6(mm)

硬度：64～66HRC

平麵度：≤0.4mm

設備：

中溫鹽浴爐(800 ℃～900 ℃)

高溫鹽爐(1200 ℃～1290 ℃)

2-3-5 鹽浴爐(550 ℃～650 ℃)

低溫硝鹽爐(280 ℃～290 ℃)

淬火卡具(見圖4)

回火筐(見圖5)

工藝路線：

裝卡?中溫預熱?高溫加熱?2-3-5分級?低溫硝鹽?熱清洗?校直?裝筐回火(三次) ?清洗?校直?防鏽處理?檢查

工藝：

預熱：850 ℃～900 ℃　　6 分鍾

最後加熱：1220 ℃　　3 分鍾

冷卻：580 ℃～620 ℃　　3 分鍾

270 ℃～280 ℃　　120 分鍾

回火：560 ℃　　60 分鍾(三次)

2 減少畸變的措施

裝卡：

淬火?垂掛卡具上回火?裝專用回筐

適當降低淬火溫度：

選 擇在W9Mo3Cr4V鋼正常淬火溫度下還低5 ℃，主要是為了降低碳在奧氏體中的溶解度，以降低奧氏體的晶粒尺寸。這樣的效果： ①減小了奧氏體向其他組織轉變時產生裂紋的可能性。②降低組織轉變時體積比③組織轉速度有所提高④使貝氏體轉變開始點溫度升高，從而增大貝氏體的轉變量。

采用等溫淬火：

其轉變產物為??下貝氏體(30%) 殘餘奧氏體 剩餘碳化物從而減小變形量，同時也易於校直(殘餘奧氏體和下貝氏體韌性都較好) 。

淬火後采用熱校直：

由於此時刀具組織為殘餘奧氏體，下貝氏體易於校直。

回火時采用專用筐：

其有利於①刀具自重減小變形②筐外架保護刀具，減小與其它產品碰撞。

3 小結

采用上述工藝操作後，此次葉根銑刀的熱處理工序達到工藝要求。後經數次刀具生產實驗，例：規格240×8(mm)錯齒三麵刃銑刀的熱處理，其效果亦良好。即本工藝針對小批量超薄刀具效果良好。

引用出處：

http://www.driveryes.com/bbs/archiver-big5/tid-23642.html

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贝氏体相变www.tool-tool.com

一度专指钢中奥氏体在珠光体和马氏体转变温度之间的转变。这种转变可发生在等温或连续冷却过程中。转变产物为贝氏体。近来在非铁合金中也发现有类似钢中的贝氏体型转变（见固态相变、过冷奥氏体转变图）。

1930 年达文波特（E.S.Davenport）和贝茵（E.C.Bain）首次观察到钢经中温等温转变后相变产物的金相组织形态，后人为了纪念贝茵的功绩，将 这种组织定名为“贝氏体”(Bainite)。1939年梅尔(R.F.Mehl)又把在较高温度和较低温度形成的不同形态贝氏体分别称为上贝氏体和下贝 氏体。由于对贝氏体相变的本质了解不够，贝氏体尚无统一的定义。

贝氏体形貌 在经表面抛光的试样上，贝氏体形成后，可出现表面浮突。（图1）。按一般合金钢的等温转变图（图 2），上贝氏体是奥氏体在C曲线中贝氏体区（A+B）上部温度范围内的转变产物，其光学显微组织呈羽毛状（图3a），故称羽状贝氏体。典型的上贝氏体电子 显微镜的金相组织由板条状贝氏体铁素体(Ba-Fe)和分布其间的断续的渗碳体 (Fe3C)组成（图3b）。如果 Ba-Fe 间分布着条（片或膜）状奥氏体或马氏体/奥氏体（M/A）岛（图3c、d），则是转变不完全的上贝氏体。贝氏体铁素体(Ba-Fe)是含碳量极低的固溶 体，并且具有一数量的位错。贝氏体转变时，Ba-Fe在奥氏体的一定结晶（惯析）面上首先形成。

贝氏体相变

贝氏体相变

贝氏体相变

下 贝氏体是奥氏体在 C曲线（图2）中贝氏体区 （A+B）下部温度范围的转变产物，其光学金相显微组织呈针状（图4a），故又称针状贝氏体。电了显微镜的金相组织表现为在贝氏体铁素体Bα-Fe片内一 定的结晶（惯析）面上分布着与其长轴呈55°～60°方向排列的碳化物（图4b）,这些碳化物或是Fe3C型，或是ε型。与上贝氏体相比，下贝氏体的 Ba-Fe碳含量过饱和程度较高，位错密度较大。当下贝氏体转变时，Ba-Fe也在奥氏体的一定结晶(惯析)面上首先形成。在低碳合金钢中，奥氏体在略高 于马氏体点(Ms)温度区的转变产物为平行的Ba-Fe板条内分布着约与其长轴呈 60°方向排列的碳化物(图4c),虽就碳化物形貌而言可属下贝氏体；但根据贝氏体铁素体的惯析面，它应归属上贝氏体。

贝氏体相变

“粒状贝氏体”通常认为是在铁素体基体上分布着一定数量的小岛(图5)。粒状贝氏体的小岛可能是：碳化物和铁素体，马氏体,奥氏体，或马氏体和奥氏体(M/A)；在低碳合金钢中的小岛大多数为M/A。

贝氏体相变

对 钢的力学性能的影响 回火后马氏体的综合机械性能相比较,在等(抗拉或屈服)强度的条件下,典型的上贝氏体(图3b)由于存在粗大的片状Fe3C的缘故，性能较差；非典型的上 贝氏体（图3c、d），特别是条(片或膜)或岛中以奥氏体为主时，其性能并不差。下贝氏体由于 Ba-Fe板条和碳化物较细小，故其性能良好。生产上常采用贝氏体等温淬火的方法，既获得良好的性能，又减少了淬火变形或破裂。50年代以后又用合金化的 方法使钢空冷为贝氏体组织（贝氏体型钢），除具有良好的力学性能、减少了变形或破裂外，还具有优异的焊接性能。

相变机理 关于贝氏体转变机理,尚存在争议。争论的焦点在于相变是属切变型还是属扩散型。持“切变”论点的学者们认为 Ba-Fe是以“切变”方式形成，并与母相奥氏体(A)保持共格关系，与马氏体转变相似,由于切变的原因而引起表面浮突。在转变的过程中铁原子只作有秩序 协同迁移以改建晶体点阵类型，而无扩散运动。碳原子则在 Ba-Fe和A间通过扩散重新分配。在高温度区碳原子扩散比较容易，于是在 Ba-Fe板条间形成Fe3C片，奥氏体条（片或膜）或有秩序排列的M/A岛（图3b、c、d），组成上贝氏体。低温度区由于碳原子扩散困难，往往在 Ba-Fe 片 (或板条)内沉淀为有方向性排列的碳化物，于是组成下贝氏体（图4 b、c）。贝氏体转变时伴随着碳原子的扩散，所以其转变速率较马氏体转变缓慢。持“扩散”论点的则认为表面浮突并不意味着切变，他们用热离子发射电子显微 镜方法研究了上贝氏体的 Ba-Fe形成过程与先共析铁素体长大相似，从而提出“台阶”机制（图6）,即 Ba-Fe在一定结晶(惯析)面上形核后,其宽面和奥氏体(A)保持半共格,而且界面上为不动位错，界面移动较困难；端面铁原子则为无序分布，在碳原子扩 散离开后可自由端向生长（图6实箭头方向），由于位错的攀移而形成新台阶(图6中b)，随后又端向生长，于是 Ba-Fe/A界面发生迁移（图6空箭头方向）,使贝氏体长大。下贝氏体也应是“台阶”机制生长，这在中国已有实验结果证明。

贝氏体相变

钢中贝氏体转变具有以下公认的特性：①有表面浮突效应；②碳原子进行扩散；③较马氏体转变速度缓慢；④新、旧相间有一定的对应的晶体学关系和惯析面（见马氏体相变）。

合 金元素的影响 合金钢中某些合金元素能使过冷奥氏体转变图(C曲线)中的珠光体(或珠光体+铁素体)区和贝氏体区分为各自独立的C曲线（图2）。有些合金元素（Cr、 W、V等）能减小碳的扩散系数,另一些合金元素（C、Ni、Mn等）降低临界点和减少相变自由能，致使贝氏体转变速度减慢,孕育期增长。又有一些合金元素 (Mn和微量B)能明显抑止先共析铁素体(F)的析出，合金元素Mo、W则能显著推迟珠光体 (P)转变，但对贝氏体转变影响较小。利用Mn或Mo-B合金化,可使低碳钢的(F+P)区孕育期延长，而贝氏体的孕育期无明显改变，贝氏体鼻部相应地突 出出来（图2），空冷后易获得贝氏体，这类合金可称贝氏体型钢。

非铁合金中的贝氏体转变 在非铁合金的相变中也有类似钢中的贝氏体转变，如黄铜（约40％Zn）在固溶化后，于一定温度等温处理一定时间，便有条状新相从β基体中沉淀，它的Zn含 量高于α/β相间平衡状态下的α相中的Zn含量。若延长保温时间,Zn原子从新相中脱溶而扩散进入β基体中。新相在β相一定结晶(惯析)面上形核，生长速 度缓慢，且呈表面浮突效应，具有钢中贝氏体型转变的特性。

引用出處：

H.F.Hehemann, K.R.Kisman & H.I.Aaranson, Met. Trans.,3(1972),p.1077.

参考书目

柯俊：金属物理及检验，《中国科学院1954年金属研究工作报告会会刊》第五分册，科学出版社,北京,1955。

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