纳米涂层在现代工业中的发展与应用传动齿轮

纳米涂层在现代工业中的发展与应用

纳米涂层在现代工业中的发展与应用 2011年12月03日 来源： 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。而PVD纳米涂层技术的出现使PVD涂层性能得到质的提升，自瑞士Platit公司开发出全球第一台纳米涂层设备以来，利用LARC（Lateral Rotating ARC-Cathodes）技术开发的新一代nAC系列纳米复合涂层优点非常明显。 纳米涂层的物理特性及与之相对应的优点包括： ● 硬度极高（nACO=HV4500）：代表耐磨性极好； ● 摩擦系数低（CBC =0.15）：脱模容易，改善拉伸五金冲压、成型的润滑问题； ● 耐高温（Naco=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…● 厚度只有0.5～7um ：涂层后不影响产品最终尺寸。 纳米涂层在模具中的应用 ：模具工业大致可以分为：压铸模具、五金模具、塑料模具三大类◆ 压铸模具：

图1 nACVlc纳米涂层压铸模具

在压铸行业，因为在每个压铸循环初期，模具型腔要承受炽热熔融合金的急热作用，工作表面会产生压缩热应力；压铸结束后要在模具内喷润滑剂，进行急冷，因而又在其表面产生拉应力。在这样的交变热应力作用下，模具表面会产生热疲劳微裂纹，随着压铸循环次数的增加，微裂纹急剧扩展，有的向心部扩展，形成龟裂纹。如果在裂纹周围同时伴随有熔融合金对模具型腔的冲刷及腐蚀，模具表面还会进一步损坏，最终造成模具的早期开裂甚至报废。压铸过程中的粘模、冲蚀、腐蚀而造成的产品废品率高，生产效率低下，甚至造成模具的损坏等问题一直是困扰各压铸企业的老大难问题。因此，考虑到大批量、低成本、高效率地生产合金压铸件，同时减少待模维修时间，开发和引进新型技术及通过表面处理延长模具使用寿命已经成为广大研究者所关注的热点。 PLATIT公司针对这些问题针对此问题研发了nACVlc系列纳米涂层的新技术，该方法是运用纳米涂层技术，在模具表面沉积多层多元素金属薄膜（膜层厚度为1~7um），这层膜具有耐磨损、抗腐蚀，高硬度的功能，由于这层膜不与铝、锌等金属溶液亲和或发生反应，所以能极大地改善压铸件的离模性能而不发生粘模现象。在改善液体金属粘模和热龟裂方面取得很好的成绩,有效解决压铸模具碰到的问题，以获得最优的综合使用性能，而且是长效型的，解决了传统工艺所无法解决的问题，用行内人士的话来讲是开创了压铸模具表面处理的先河。例：东莞某厂家一个铝合金压铸件，产品质量要求很高，由于发生粘模现象，不得不压两个小时模具就得下来打磨一次，经过纳米涂层处理后，模具使用二十小时才下来一次，而且把该膜可以退掉后打磨再涂层，使该模具的使用价值提升了近十倍。

图2 压铸模具涂层前后生产量对比 数量单位（件）

nACVlc纳米涂层主要特点技术性能： 1、显著提高合金压铸模的抗热熔损性能 2、改善脱模和抗腐蚀性能 3、提高合金压铸模的抗热疲劳性能4、颜色明显，用户可以根据涂层颜色的变化而及时返涂，以保护贵重精密模具。5、显著提高合金压铸模的使用寿命。◆ 五金模具

图3 TP2400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

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TP2400涂层表面硬度可达到HRc85以上，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TP2400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。TP3700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4 TP3700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,纳米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，科汇公司特别为铍铜模具或镶件设计了一套完善的纳米涂层方案，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，一般高温处理的PVD涂层都不适合。这种情况下，TP--2000是最好的选择。TP2000涂层抗化学腐蚀能力强，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。 另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。科汇对塑料模具的应用了如指掌，确保TP2000涂层为客户解决模具磨损的问题。

图5 TP2000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

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纳米涂层处理来增强模具表面的硬度，且提高润滑脱模能力。由于纳米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纳米涂层。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纳米涂层，从而提高了模具的使用寿命。 纳米涂层在刀具中的应用：nACO纳米复合涂层是在强等离子体作用下，3nm的TiAlN晶体被镶嵌在非晶态的Si3N4体内，在晶粒之间为1nm厚的Si3N4，这种结构使涂层硬度可达到50GPa，且高温硬度更是十分突出，当温度达到1200℃时，其硬度值仍可保持在30GPa。与基材的结合力达100N以上，实现了耐高温和高硬度性。从预硬钢到淬火钢的高速切削加工，高效加工中有显著的优越性，加工效率提高3倍以上，与常用涂层比较，切削加工时由于耐高温，所以最适合干铣削加工。在加工高硬度材料时，可大幅延长刀具的寿命。

图6 通过类比，充分说明了纳米复合结构形成的硬度升高

除了提高硬度之外，纳米复合涂层显示的最大优势在于能大幅度提高耐热性。与采用非纳米复合涂层相比，亚稳态偏析及由此而产生的硬度下降会在更高的温度才发生（图7）。 - 与AlTiN涂层相比，大约高200-300°C； - 与AlCrN涂层相比，大约高100°C。 另外，还有迹象表明，1200°C时硬度下降是由于硬质合金的钴扩散所致，而非由纳米复合涂层的原因所致。因此，由于硅“粘结剂”硬度提高、耐热性和韧性增强，纳米复合结构涂层不仅能与PVD涂层抗衡，还可比厚型CVD涂层明显优势。因此纳米涂层是刀具必不可少的选择！

图7 纳米复合结构，将亚稳偏析推迟到更高的温度

图8 nACo系列纳米涂层刀具，比普通涂层刀具使用效果更佳

纳米涂层在现代工业行业的应用潜力巨大 : 随着我国汽车、航空、航天、重机等工业的发展以及数控机床的迅速普及，我国机械加工技术正朝着高速加工、绿色制造的方向发展，高速滚齿、高速铣削以及干式切削工艺等对刀具和模具方面提出了更高的要求。而目前纳米涂层是最佳的发展方向，纳米表面涂层在华南地区的模具生产商中已广泛应用，他们认同纳米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，模具对纳米表面涂层处理的需求将不断增加，潜力巨大。科汇纳米技术（深圳）有限公司为PLATIT公司亚洲地区总代理，为纳米涂层技术在国内的推广加快了进程。是将（PVD）涂层引进至中国制造业的先锋，深刻体会到模具制造及金属加工业对纳米涂层的应用及使用模式的转变。这几年科汇的推广工作加深了厂商对涂层的认识，使他们了解到模具、刀具、金属零部件或制品纳米涂层的重要性。现在较多厂商已作出实际行动，为模具及产品使用高质素的纳米涂层。如：富士康. 比亚迪.上海工具厂……一些大型公司均引进PLATIT纳米涂层设备，已经取得很好的实用价值！(end)

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