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PVD涂层延长模具使用寿命及其解决方案
编辑:开思新材料(苏州)有限公司官网  上传时间:2021-01-23 浏览:19 次
PVD涂层从2001年在香港成立以来推广PVD技术,经过十多年的努力和发展,PVD涂层技术已处于国内领先的地位。现将PVD的发展及实际应用的例子发布。PVD (Physical Vapor Deposition)即物理气相沉积法,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:
● 硬度极高(超过Hv2000-Hv4500):代表耐磨性极好;
● 摩擦系数低(DLC =0.1):改善拉伸五金冲压、成型的润滑问题;
● 耐高温(最高达到1200℃):不容易氧化,改善干切削和压铸成型问题;
● 化学屏障/导热率低:可有效防止因高温导致硬质合金刀具的钴元素流失;改善压铸出现的热龟裂问题;
● 厚度可控制在1µm以内 :涂层后不影响产品的最终尺寸。
PVD涂层在模具中的应用
塑料模具
塑料模具由于要求较高,故其耐用性更加受到关注。例如所生产的塑料中带有纤维,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,硬度一般可达到洛氏硬度40。散热快(比钢材快3倍)代表注塑生产周期可以缩短,产量更高。铍铜价格昂贵,比一般塑料钢材贵,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,涂层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TiN-BeCu,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发展,故该类产品对精密度及材料的选择等方面的要求都很高。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较高。
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。在这种情况下,CrNC是最好的选择。CrNC抗化学腐蚀能力强,而且它的硬度也不低于HV2000,足以应付塑料生产所要求的硬度,是塑料模具最佳的选择。
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。涂层公司对塑料模具的应用了如指掌,应用CrNC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
3.1) 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,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Mirror-Gold PVD涂层处理来增强模具表面的硬度,并提高润滑脱模能力。由于PVD涂层的高硬度及良好的润滑性能,因此能缩短生产周期,提高产量。
3.2)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。
五金模具
模具工业大致可以分为:五金模具、塑胶模具、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,绝大多数需要表面使用PVD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的形状。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。硬度高可确保抗磨损性能好,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,其硬度超过HRc62,因此采用TiCN-MP 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,对解决磨损问题有直接的帮助作用。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TiN-Mirror和TiCN-MP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。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。
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胀冷缩,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 TiAlN-F3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。涂层公司针对此问题研发了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了一定的成绩。
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%左右。但如果以生产每一件制品的总成本计算的话,因为涂层的功效,延长了模具几倍的寿命,且脱模容易,停机维修模具时间减少等,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?
PVD涂层只是表面一层很薄的(1~10µm)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。冲压模具对温度要求是55℃以上,塑胶模具对温度的要求为30℃以上。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,不会因为使用了涂层便降低了基体的硬度。
◆ 任何材料都可以做PVD涂层吗?
PVD涂层是在高真空、低温(约200℃或400℃)的状态下进行处理的,如在这温度下材料便熔化或变软的话(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。
◆ 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,1~4µm是最适合的涂层厚度。
◆ 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1~10µm的范围,控制精度在0.5µm以内,而电镀工艺绝对无法达到这样的范围。镀铬的硬度约为Hv1000,而PVD涂层硬度可达到Hv4000以上。
成功案例分享
1) 精英公司-塑胶模具
精英公司创建于1988年,是港资精密模具制造集团公司,精密塑胶模具的龙头企业之一。专业领域为制模、注塑、喷涂、电镀、丝移印、组装及包装全面服务的综合型企业集团,产品五大产品事业群(优质生活、包装、汽车、配电、医疗事业群),致力于为世界500强企业提供一站式的、一流的产品及服务。
精英公司最近有一批汽车空调配件的模具,在注塑时出现以下问题:
1. 表面的坑纹,由于坑纹十分细致,导致有粘胶及脱模困难。
2. 为了保持成品质量,该模具要每2个小时清理模具一次。
3. 产品质量难以保持,生产十分不便。
经使用PVD涂层,涂层后粘胶及脱模困难的问题已完满解决。


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