文：任英广 (上海高罗输送 装备有限公 司）

钢( =480—500MPa) ，它的抗 拉强度 高 ，回弹性大 ，设计 的成型模具要求间隙小 ，表面强度 、硬度 、耐磨性要求高 。而传统 的模具钢以及传统的模具表面强化方法 (比如渗碳 、氮化 、碳 氮共渗等 )已满足不了生产 的要求 ，故不仅要求模具钢要更新换代 ，而且其新的表面处理技术需推陈出新 。目前 国外已大量采用先进的 PVD涂层技术来提升模具表面的耐磨 、耐高 温 、自润滑 等性能 ，模具 的寿命 也提高了 5～l0倍 ，若再辅以退涂技术 ，则一副模具可反复使用 5～8次 ，从而大大提高 了生产效率 ，降低 了生产成本。对于传统碳钢冲压件 ，一套 Crl2MoV材料成型模具可做到 20万件 ，而对于不锈钢冲压件却只能做几千模次，且 冲压件的表面质量不理想 ，甚至出现 大 量 的废 品 。

目前公 司用 于冲压件产 品成型的模具材料 为Crl2和 Crl2MoV，模具如图 1所示。这两种模具材料为典型的合金工具钢，是应用广泛的冷作模具钢 ，具有强度高 、淬透性较好和耐磨性 良好等特性 ，但其冲击韧性较差 。因此 ，在研究 中将模 具的材料更换为SKI-I ·9（高速钢），与采用的cri2和Cr12MoV模具钢相比，SKH ·9模具钢具有良好的韧性与抗高温疲劳性能。经回火处理后，各材料模具钢的硬度和冲击韧性如表1所示不同模具钢的主要元素成分如表2所示。

1 . 2 Cr/TiN膜层制备

涂层制备前需对模具基体进行前处理，主要是去除模具表面的杂质、氧化皮及油污。前处理工艺为：抛光一喷砂一超声波清洗一离子溅射清洗。

本研究中采用瑞士生产型号为PIFC-()4 ARC PRO的涂层设备，涂层设备及夹具如图2所示。该设备采用阴极电弧技术，具有绕镀性好、膜层均匀、离子化率高等优点。沉积过程中开启Ti靶，通过控制模具基体的旋转速度和每个靶材的引弧时间在模具上沉积TiN生成复合多层膜，涂层层数为300按照cr/TiN涂层的制备工艺过程，以Ti作为打底层制备Ti/TiN涂层样品，涂层层数也为30，并与cr打底的TiN涂层样品进行性能测试比较。

1 . 3 Cr/TiN膜层性能

表征采用德国菲希尔生产的x射线荧光测量系统（FISCHERSCOPE X-RAY XUL)涂层厚度无损检测设备，对涂层后的模具基体表面涂层厚度进行测量，取5个点的平均厚度作为涂层的厚度值。采用压痕法测量膜基结合力，将洛氏硬度计的圆锥形金刚石压头（圆锥夹角为120。，尖顶半径为0．2 (m )，在一定的测试压力下（150 k压人被测涂层表面，保持一段时间（6 s）后卸除压力，然后观察涂层的压痕及其边缘特征。涂层后模具基体的硬度同样采用洛氏硬度计进行测量。涂层的显微硬度通过美国MTS 公司生产的纳米压痕仪进行测量，为减少基体对涂层显微硬度的影响，涂层的最大压痕深度应限制在涂层厚度的1 / 10以内，施加的载荷为20 mN,取6 丿、点的平均硬度作为涂层的显微硬度值。

1 . 4冲压试验

整套生产冲击模具组件及冲头如图3、图4所示其输送接头为不锈钢冷轧钢板，物理性能如表 3所示模具基体之前的材料是采用cri 2和 Cri2MOV模具钢，其中通过冲头冲出孔。现将模具材料更换为一9，并与传统模具材利进行对比冲压试验。

2 试 验性能分析

2，1涂层性能

cr／TiN涂层模具如图5所示，外观呈金黄色，无剥落现象。x射线荧光测量系统测得模具表面5 。且涂层厚度值如表4所示，前4组测得的涂层的厚度值相近，而第5组数值较前4组具有的较大的偏差。形成上述现象的主要原因是涂层制备过程中存在基体电位及温度分布的边角效应，导致试样的边角区域涂层厚度难以控制 涂层的单边厚度值为2u7 pm。

经涂层处理后不同模具的硬度值见表5，从表5 看出，山于cr12和Cr12MoV模具钢的回火温度（200 ℃）低于涂层时的温度（400 ℃、450 ℃），所以涂层后模具的基体硬度降低。涂层虽然具有很高的硬度，但基体在同时具有高的硬度值时，涂层才可以发挥良好的作用另外，回火温度如果低于涂层时的温度，也会造成涂层后的基体变形。将涂层后 cri2和Cri2MoV的模具样品进行检测，发现模具确实产生轻微的变形。因此，相比较与传统的模具材料cri2和Cri2MoV,SKH-9更适用于作为涂层处理的冷作模具。

与cr打底的TiN涂层样品进行性能测试比较发现,Ti作为打底层制备TiN涂层样品与SKH-9的结合力较差。结 合 以德 国科 技 术协会 VDI_3l98标准作为参考（如图6所小），cr/TiN、Ti/TiN涂层的结合力分别符合工业等级HFI与HF30试验表征两种涂层的6组显微硬度值如表6所示，其中cr/TiN 涂层的显微硬度值明显大于Ti/TiN涂层。一般而言，若涂层具有高的硬度，其对于外界物质的摩擦抵制能力也就越强。对于涂层工件而言，工件会受到良好的保护

根据两种涂层微观硬度，涂层与基体的结合力以及涂层后模具基体的硬度变化可以看出，采用cr 作为打底层制备的TiN多层涂层与基体的结合力及硬度比采用Ti打底制备的TiN多层涂层都有所提高。因此，就涂层血舀,Cr/TiN多层涂层更适用于作为冲压模具表面涂层 2 · 2涂层模具冲压性能

通过冲击、磨损，3种未涂层模具到达失效状态时的冲孔数目与cr/TiN涂层处理后3种模具的冲孔数目如表7所示。

冲孔是一个集高应变、冲击和剧烈磨损的过程，对未涂层Cri2MoV模具材料而言，使用其对不锈钢

冷轧钢板进行冲压，每天至少需要更换3支冲头，3 只冲头冲孔的数量也就为3 000个。通过更换基体材料后，将原来的Cri2MoV材料换为SKH-9，3支未涂层的SKH-9的模具冲头的冲孔数可达6 500个，寿命提高了1倍多。为进一步提高模具表面耐磨性能，通过将SKH-9模具表面进行cr打底的TiN多层涂层处理，模具冲头冲孔的数量将达到9 000个以上，其寿命提高了2倍多。此外，对于整套不锈钢模具而言，冲压模次可达巧万以上

3结论

不锈钢冷轧钢的冷冲压模具材料，并对模具进行涂层处理后进行冲压试验，得出以下结论：

1）改变PVI)涂层传统的Ti打底层技术，采用全新的cr打底层技术，明显降低涂层间的应力，并提高了涂层的硬度以及涂层使用过程中耐疲劳性能，涂层与模具基体的结合力也大大提高

2)SKH-9代替传统的cri2和Cri2MoV作为模具材料，可以将优异的材料性能与涂层技术相结合，充分发挥材料的潜质

3）生产实际应用表明，与Cri2和Cri2MoV相比,SKH-9冲头模具拥有更大的冲孔次数。将SIKH9模具与cr/TiN涂层相结合，冲头的冲孔寿命可以提高2倍以上。此外，冲压模具寿命可提高到15万模次以上