BALINIT®涂层技术在汽车覆盖件模具行业的应用

作者：欧瑞康巴尔查斯涂层 沈雷

欢迎访问e展厅 展厅 5 模具相关产品展厅 模具CAD/CAM, 模具钢材, 模具抛光机, 模具保护器, 模具监视器, ... 伴随着中国汽车模具行业的高速发展，金属表面处理技术尤其是PVD涂层技术在汽车覆盖件模具行业得到了越来越广泛的应用。针对汽车外板件，内板件，结构件以及热冲压成型等模具的不同应用需求，欧瑞康巴尔查斯作为全球PVD涂层技术和市场的领导者，开发了一系列最新PVD涂层技术以适应汽车覆盖件模具市场的需要。 随着汽车车身轻量化的发展趋势，汽车覆盖件尤其是内板件及结构件越来越多地采用高强度钢板如高强度IF钢，各向同性钢(IS)， 烘烤硬化钢(BH)，低合金高强度钢(HSLA)等，更高强度的先进/超高强度钢板如双相钢(DP)，复相钢(CP)，相变诱导塑性钢(TRIP)，马氏体钢及热冲压硬化钢等。无论是拉延还是翻边工艺，由于板材抗拉强度的显著提高和延伸率的显著下降，对于模具本身的抗压强度，耐磨性，抗咬合性及抗粘连性等性能都提出了更高的要求，未经任何表面处理的传统模具已经完全不能满足这种需求。 外板件——整体铸铁类模具 目前汽车覆盖件外板件因工件形状一般都相对简单且目前大多只采用普通钢板，钢材的抗拉强度不高且延展性较好，因而对模具的整体要求相对来说并不太高，模具大多采用整体结构，模具材料一般采用球墨铸铁等铸铁类材料。因其整体模具尺寸较大，通常都超过了PVD或TD设备所能处理的极限尺寸，其表面处理目前大多采用镀硬铬工艺或氮化工艺。 镀硬铬工艺的镀层厚度通常在20～30μm，维氏微硬度一般介于HV900-1100之间。其缺点是因镀层是堆积在基体材料之上，易受使用环境的影响如负载压力过大，硬质粒子的磨损，材料碎片的挤压以及凸凹模不同心等因素而导致镀层脱落失效，所以一套覆盖件模具在其整个使用寿命过程中通常都需要重复完成几次镀硬铬工艺。另外，镀硬铬工艺也无法满足一旦有模具设变时的烧焊或调模的需要。 欧瑞康巴尔查斯开发的PPDTM (Pules Plasma Diffusion)脉冲等离子扩散工艺可以有效解决上述镀硬铬工艺的问题，其结构如图2所示，在基体表面形成一层厚度为10～30μm，硬度达HV1100-1200的氮化化合物层(γ相和ε相的氮化铁)，并且向基体内部扩散形成深度可达0.3～0.5mm，硬度由表及里为HV800-300的均匀氮化扩散层。由于PPDTM是由表及里向基材内部形成的扩散层，在任何使用环境下都不会发生脱落，同时其硬度是由表面的HV1200向内部逐步均匀递减直至核心的基材硬度且深度可深达0.5mm， 对表面硬化层形成有效支撑，所以即使在模具承受较大载荷时也不会因基材塑性变形而导致表面的镀层脱落失效（薄冰效应，参见下一章节）。 除此之外，PPDTM的优势还在于其模具表面无论是在PPDTM处理之前或之后都可以烧焊，也可以用油石对表面进行处理，从而方便满足设计变更及调模的需要。同时，PPDTM可处理的模具材料范围非常广，从各类铸铁到各类工具钢都可以进行PPDTM处理。 PPDTM还有一点无可比拟的优势在于，由于PPDTM设备尺寸十分庞大，可以处理的最大单件模具尺寸可达2.7m×10m，最大单件模具重达25吨，满炉模具重量达40吨。 内板件/结构件——冷冲压成型模具 内板件因工件形状一般都比较复杂且越来越多地使用高强度钢板，结构件则因强度和刚性的要求使用高强度钢板的比例更高，因此这两类覆盖件对模具的整体性能要求更高，其模具通常都采用镶拼结构，镶块大多使用D2类冷作工具钢，镶块的表面处理国内目前大多采用PVD涂层工艺或TD处理。 从全球范围来看，PVD在欧洲的应用普及率最高，目前欧洲绝大部分的模具表面处理都采用PVD，少部分采用CVD，基本没有采用TD的；美国和韩国近几年PVD的市场比重也显著提高，大有向欧洲看齐用PVD完全取代TD的趋势；就连TD的发源地日本，近几年PVD的应用也越来越普及。 TD处理因其1000度左右高温的工艺温度会使模具产生变形甚至于在某些尖角位等易产生应力集中的部位出现应力开裂从而导致模具报废，而PVD涂层的工艺温度只有450到500度，所以只要模具钢材经过三次500度以上的高温回火（以冲压模具所常用的D2/SKD11/2379/Cr12Mo1V1等冷作工具钢为例，其标准热处理工艺是1030-1070度淬火，三次505-515度的高温回火，保温时间三小时以上），在工艺温度低于钢材回火温度的PVD涂层处理后模具是不会产生变形的。另外，出于设计变更以及改善钣金件尺寸等方面的需要，烧焊在汽车覆盖件模具上是普遍存在的，PVD涂层因其工艺温度远低于TD，相对TD来说在工艺过程中发生烧焊区域应力开裂从而导致模具失效的风险要低得多。再者，因为TD的工艺原理是需要从高碳钢内析出碳元素与浴盐中的钒/铌/钛/铬等金属元素结合成碳化钒等碳化物，其可复涂性随着钢材中碳元素的减少是非常有限的，而PVD涂层从理论上来说可以无限次地复涂，而且即使在TD覆层失效后也可以褪掉TD覆层然后再在模具上复涂PVD涂层从而大大延长模具的使用寿命。 但普通的PVD涂层的一大缺点是，虽然其硬度可以达到HV3000以上，但厚度通常只有3～5μm，相对于硬度最高也不过HV600-700的模具基材，其无异于覆盖在柔软的蛋白上的一层薄薄的蛋壳，一旦承受较大的冲击载荷，就会因蛋白本身太软，不足以负担这么大的载荷而产生塑性变形从而导致蛋壳的破裂，我们称之为“蛋壳效应”或“薄冰效应”。 针对这一缺点，欧瑞康巴尔查斯开发了一种最新的BALINIT® DUPLEX LUMENA涂层技术，首先对模具基材进行LPN低压氮化处理，在模具基材表面形成深度可达50～200μm，硬度由表及里从HV1200到HV700逐次递减的均匀氮化扩散层，从而大大提高了模具基体本身的承载能力；同时，通过优化PVD涂层的技术参数，将氮铝化钛基的PVD涂层的厚度提高到8～15μm，表面硬度可高达HV3400，从而进一步提高了整体的氮化+PVD涂层的抗冲击强度，抗压强度以及耐磨性等综合性能。 关于拉延模具中普遍存在的表面拉伤问题，其主要原因一是因为钢板与模具表面之间夹杂的一些硬质颗粒杂质所导致的摩擦型磨损，二是因为钢板与模具这对金属间摩擦副因表面凸凹不平产生机械咬合而导致的粘着型磨损。针对粘着型磨损，除了通过改变摩擦副其中一边的材料属性如采用磷化钢板，在钢板上贴PVC塑料薄膜，在冲压工艺过程中使用润滑油或EP添加剂，模具材料采用铜基合金等方法以及模具表面做PVD或TD处理外，最有效的途径还是通过抛光以改善模具表面粗糙度从而降低金属间摩擦副之间的摩擦系数。试验表明，钢与钢之间的摩擦系数在表面粗糙度Rz 1μm时达到最低，表面粗糙度太高则会增大机械咬合，太低则会因摩擦副之间产生真空吸附从而导致摩擦系数急剧增大。 但目前国内的汽车覆盖件模具企业普遍来说因为要赶工期或限于自身的抛光能力，其模具的最终表面粗糙度一般来说都在Ra0.4μm以上。针对国内模具市场这一普遍状况，欧瑞康巴尔查斯配备了专业的模具抛光团队为客户的模具提供PVD涂层前后的抛光服务，使最终交货时模具工作面的表面粗糙度达到Ra0.08～0.15μm。 结构件——热冲压成型模具 为进一步加强一些关键部位结构件如A/B柱，加强梁，防撞杆及保险杠等的强度和刚性，目前欧美汽车企业已越来越多地采用热冲压成型工艺。这种工艺是采用可以热处理强化的钢板如含硼钢板，先利用加热设备将钢板加热到900度左右并保温一段时间使内部金相组织奥氏体化后再快速送入热冲压成型模具进行拉延成型从而大大降低成型难度，成型后再利用工件余热及模具的冷却系统对成型后的工件进行淬火处理使工件的内部金相组织马氏体化以达到强化效果，经过热冲压成型工艺处理后工件的抗拉强度可达1500MPa以上。 热冲压钢板可分为裸板和预涂层板两种类型，裸板的成本相对较低，但缺点是钢板表面会因高温产生氧化层，所以成型后的零件必须先进行抛丸处理去除氧化层后才能进行涂装；目前越来越被普遍采用的工艺是使用预涂了铝硅涂层的钢板如USIBOR 1500P钢板，利用热冲压成型使钢板表面形成铁铝硅合金化层，因表面没有氧化层从而可以实现直接涂装。 热冲压成型工艺对成型模具的性能提出了更高的要求，一是模具必须具备较复杂的冷却系统以保证对钢板进行淬火时冷却的均匀性；二是模具的工作温度是在600～800℃，模具钢材必须从冷作工具钢改为热作工具钢，模具在工作状态下必须承受从600～800℃左右的高温到室温的热循环，容易因热疲劳和机械疲劳的双重作用在模具表面产生龟裂；同时，无论是裸板表面因高温氧化形成的氧化皮还是预涂层板表面预涂的铝硅涂层，都极易在高温高负载作用下脱落并粘连在模具表面从而导致粘着型磨损。 欧瑞康巴尔查斯专门针对热冲压成型工艺开发的BALINIT® ALCRONA mod涂层具有优异的高温耐磨性，其表面硬度达HV3200，厚度为8～10μm，最高工作温度可达摄氏1100度，在本特勒，海斯坦普等公司的热冲压成型模具上的应用取得了很好的效果，模具寿命普遍可延长一倍甚至于某些案例延长了两倍，同时还可以显著缩短机器停线清洁模具的时间，提升冲压件的表面质量。

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