一种冷冲压模具的表面处理方法与流程

本发明涉及金属表面热处理技术领域，具体的讲是一种冷冲压模具的表面处理方法。

背景技术：

目前，在汽车制造业中，冲压件占汽车零部件有超过一半的比例。模具的失效形式是影响产品合格率和生产成本的最重要原因之一。其中，冷冲模主要用在使金属板料产生塑性变形或分离而加工成形所需的制件方面，对模具材料的硬度、韧性、耐磨性和抗疲劳性能等指标要求都较高。随着市场竞争日益激烈，汽车企业需要降低制造成本，尤其是模具成本。但冲压生产大量零件冷作模具易发生变形、磨损、疲劳和断裂等失效形式，严重影响了模具的使用寿命，冲孔模具的寿命不高，一般在使用一万次后失效。

经过实验分析现用冲模冲头材料为skh51高速钢，基体硬度60hrc，冲击功为25j，冲头表面进行了渗钒或采用pvd方法镀ticn涂层。在金相显微镜下观察发现，现用的冲孔模具基体组织为回火马氏体和形状不规则的尺寸不均匀的块状碳化物沿晶界分布在基体中，这些不规则形貌的块状碳化物在基体中呈链状分布，使碳化物与基体界面容易产生应力集中而导致微裂纹出现，在冲压应力作用下模具容易开裂失效；同时，现有冲孔模具表面渗钒层或ticn涂层厚度只有约3μm，容易在冲压过程中剥落，使模具由于表面磨损而失效。

针对现有冲孔模具由于开裂和磨损而导致服役寿命短的问题，展开在选择合适的基体材料基础上，优化热处理工艺，调整组织状态，以达到较佳的强韧化搭配；再开展不同表面处理技术进行表面强化处理，使冲孔模具保持外硬内韧特性，以达到显著延长冲孔模具使用寿命的目的。同时，对不同表面处理技术的生产成本进行评估，开发出一种性价比高的表面处理技术，这对于企业生产将具有重大现实意义。

技术实现要素：

本发明突破了现有技术的难题，设计了一种可以延长模具使用寿命、保持模具外硬内韧特性的高性价比冷冲压模具的表面处理方法。

为了达到上述目的，本发明设计了一种冷冲压模具的表面处理方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.将冷冲压模具经过淬火、三次回火热处理，使经过热处理的冷冲压模具的硬度调整到60-64hrc的范围内；

b.将经过所述步骤a热处理的冷冲压模具表面进行清洗，用酒精去除冷冲压模具表面的灰尘、油污和其他污染物，得到具有洁净表面的冷冲压模具；

c.将经过所述步骤b洁净处理的冷冲压模具在pvd炉中进行pvd处理，得到具有均匀致密涂层的冷冲压模具；所述pvd处理的工艺参数如下：300v-700v偏压，通入氩气清理基体表面，同时各靶材通微量电流以防止靶材中毒；偏压降为40-80v，增加cr靶电流至设定值沉积cr底层；通过控制oem设定值为55-90，加入n2，沉积crn过渡层；偏压上调5v-10v，逐渐增加al、ti靶电流至设定值，沉积crtialn涂层，沉积时间为60min-120min；沉积条件：真空度<5×10-3pa；沉积气压：4.0×10-5torr-1.0×10-5torr；基体温度﹤300℃；基体旋转速度：2-6rpm。

所述步骤c中，将经过所述步骤b洁净处理的冷冲压模具在pvd炉中进行pvd处理，具体步骤为：

①在控制柜计算机系统输入pvd设定的涂层制备工艺；

②利用夹具将表面洁净的冲压模具固定在pvd炉中与腔体支架同一高度位置，使启动后表面洁净的冲压模具转速保持在2-6rpm；

③将pvd炉腔抽真空，并加热，使真空度达到4.0×10-5torr-1.0×10-5torr，保持温度低于200℃；

④当真空度达到要求，则开始增加偏压，通入氩气，对表面洁净的冲压模具表面进行清理；

⑤增加cr靶电流，正式进入涂层沉积过程的第一步—沉积底层cr；⑥通入氮气，涂层沉积过程第二步—过渡层crn的制备；

⑦进一步增加cr靶电流以及增加ti、al靶电流，进入涂层沉积过程第三步—crtialn涂层的制备；

⑧炉腔冷却阶段，等炉腔冷却后进入待机状态，开放气闸，取出完成pvd处理的冲压模具。

所述pvd处理可以选择对冷冲压模具的整体表面进行处理，也可选择对冷冲压模具的局部表面进行处理。

所述步骤a中，冷冲压模具由sdc99钢、cr12mov钢、skd11钢、7cr7mo2v2si钢（ld钢）、cr8mo2siv钢（dc53钢）中的任意一种形成。

本发明与现有技术相比，生产出来的冷冲压模具的表面更加符合装配制造的要求，并且使得其表面涂层的摩擦系数比现有技术要更满足客户要求。

附图说明

图1为oem值为65时sdc99模具钢随炉试样的crtialn涂层的表面效果图。

图2为oem值为65时sdc99模具钢随炉试样的crtialn涂层的截面效果图。

图3为oem值为65时sdc99模具钢随炉试样的crtialn涂层的eds线扫描结果图。

具体实施方式

结合附图对本发明做进一步描述。

本发明设计了一种冷冲压模具的表面处理方法，包括如下步骤：

a.将冷冲压模具经过淬火、三次回火热处理，使经过热处理的冷冲压模具的硬度调整到60-64hrc的范围内；

b.将经过所述步骤a热处理的冷冲压模具表面进行清洗，用酒精去除冷冲压模具表面的灰尘、油污和其他污染物，得到具有洁净表面的冷冲压模具；

c.将经过所述步骤b洁净处理的冷冲压模具在pvd炉中进行pvd处理，得到具有均匀致密涂层的冷冲压模具；所述pvd处理的工艺参数如下：300v-700v偏压，通入氩气清理基体表面，同时各靶材通微量电流以防止靶材中毒；偏压降为40-80v，增加cr靶电流至设定值沉积cr底层；通过控制oem设定值为55-90，加入n2，沉积crn过渡层；偏压上调5v-10v，逐渐增加al、ti靶电流至设定值，沉积crtialn涂层，沉积时间为60min-120min；沉积条件：真空度<5×10-3pa；沉积气压：4.0×10-5torr-1.0×10-5torr；基体温度﹤300℃；基体旋转速度：2-6rpm。

本发明中步骤c中，将经过所述步骤b洁净处理的冷冲压模具在pvd炉中进行pvd处理，具体步骤为：

①在控制柜计算机系统输入pvd设定的涂层制备工艺；

②利用夹具将表面洁净的冲压模具固定在pvd炉中与腔体支架同一高度位置，使启动后表面洁净的冲压模具转速保持在2-6rpm；

③将pvd炉腔抽真空，并加热，使真空度达到4.0×10-5torr-1.0×10-5torr，保持温度低于200℃；

④当真空度达到要求，则开始增加偏压，通入氩气，对表面洁净的冲压模具表面进行清理；

⑤增加cr靶电流，正式进入涂层沉积过程的第一步—沉积底层cr；⑥通入氮气，涂层沉积过程第二步—过渡层crn的制备；

⑦进一步增加cr靶电流以及增加ti、al靶电流，进入涂层沉积过程第三步—crtialn涂层的制备；

⑧炉腔冷却阶段，等炉腔冷却后进入待机状态，开放气闸，取出完成pvd处理的冲压模具。

本发明中pvd处理可以选择对冷冲压模具的整体表面进行处理，也可选择对冷冲压模具的局部表面进行处理。

本发明中步骤a中，冷冲压模具由sdc99钢、cr12mov钢、skd11钢、7cr7mo2v2si钢（ld钢）、cr8mo2siv钢（dc53钢）中的任意一种形成。

实施例：

本实施例中采用sdc99钢模具进行试验，下面结合实施例对本发明进行详细说明：

首先sdc99冷冲压模具在1030℃条件下进行淬火，然后淬火后的sdc99冷冲压模具通过520℃、530℃、530℃三次回火热处理后，使经过热处理的sdc99冷冲压模具的硬度调整到60～64hrc的范围内；

其次将热处理后的sdc99冷冲压模具表面进行清洗，用酒精去除sdc99冷冲压模具表面的灰尘、油污和其他污染物，得到具有洁净表面的sdc99冷冲压模具；

然后对洁净处理的sdc99冷冲压模具分别进行td处理、pvd处理和离子氮化处理；其中pvd处理的crtialn涂层采用闭合场非平衡磁控溅射技术，在溅射靶材表面沉积cr，ti及al原子的同时，将反应气体n2通入沉积系统，其流量由闭环控制等离子体光发射谱相对强度（oem）来实现。

其沉积过程为：在控制柜计算机系统输入设定的涂层制备工艺；利用夹具将试样固定于腔体支架同一高度位置，系统启动后试样转速保持在4rpm；腔体抽真空，并一定程度加热，使真空度达到2×10-5torr，保持腔体温度低于200℃；500v偏压，通入氩气清理基体表面，同时各靶材通微量电流以防止靶材中毒；偏压降为60v，增加cr靶电流至设定值沉积cr底层；通过控制oem设定值为65，加入n2，沉积crn过渡层；偏压上升至65v，逐渐增加al、ti靶电流至设定值，沉积crtialn涂层。

沉积时间为90min；沉积条件：真空度<4×10-3pa；基体温度﹤280℃；沉积完成后进入腔体冷却阶段，带腔体冷却后系统进入待机状态，开放气闸，取出试样，记录使用效果。

通过实验，经过td处理、pvd处理和离子氮化处理后冲头的实际实验次数分别为23187次、27120次和21552次。其中经过pvd处理的模具效果最为显著，较未经处理的模具使用寿命提高了近3倍。

对本实施例中pvd处理的随炉样进行分析。

图1、图2以及图3为oem值为65时sdc99模具钢随炉试样的crtialn涂层的表面、截面以及eds线扫描结果。

由图1可知，涂层表面光滑、致密，且呈现出大小均匀的颗粒状，颗粒直径的平均尺寸约为0.23μm。表面粗糙度为ra=0.014μm。

由图2可看出，涂层截面以距表面2.8μm处为界分为上下两层，上层形貌致密，光滑、呈现脆性断裂；下层形貌呈现韧性断裂。

由图3的截面eds线扫描结果图可知，上部分的cr、ti、al、n含量较高；距表面2.5μm后，cr、ti、al、n含量开始下降，相反的，fe、c、si、mo等元素含量开始上升；距表面3.5μm后，含量表现为基体sdc99钢的成分组成，即上层为crtialn涂层，厚度为2.8μm；本实施例中的冷冲压模具通过摩擦磨损测试，得到涂层摩擦系数为0.3。