PVD涂层后的刀具、模具失效

PVD涂层后的刀具、模具失效分析

由于刀具、五金冲压拉伸模具PVD涂层（ALTiN、TiCN、TiN、CrN等）目的就是提高其耐磨性，故与我们涂层有关的刀具、模具寿命问题主要都是磨损问题。所以我们在本章节主要就从分析磨损来讨论涂层刀具、模具失效分析。1.1异常的具体现象，比如磨损、崩刃、粘料、产品拉痕、蚀纹塑胶产品发亮等。1.2使用寿命的数据，以及与之相比对或预期寿命的数据，或者是异常出现的时机。1.3模具、刀具的不良率，比如100%，还是1%，甚至只是个例等。1.4加工方式与参数（包括机台、被加工件的信息、环境条件等）。1.5要求客户将使用过，已失效的不良样品返回作分析。一：需与客户确认的问题2刀具、模具涂层前后磨损差异分析图1刀具、模具涂层前后磨损曲线2.1刀具、模具涂层前后磨损曲线2.2从上图，我们可以看出，刀模具涂层后主要是“正常磨损阶段（即A~B之间）”的时间延长了。也就是说，我们所说的“延长刀具、模具使用寿命”就是延长“正常磨损阶段”的时间。2.3比较上面的两条曲线，发现“B1~C1”比“B2~C2”更长，也就是说涂层后的刀具、模具“严重磨损阶段”时间更短，磨损更快。这是什么原因呢？？2.4我们做刀模具耐磨性分析，主要就是分析“正常磨损阶段”是否正常，以及是否达到预期时长、行程或次数。3分析的流程（“十六字”方针）3.1追溯：追溯生产记录，如所选制程，OQC的膜厚、附着力，前处理时是否有抛光、喷砂等。3.2检测：检测产品材料与涂层参数，如材料硬度、涂层实际膜厚、附着力等。3.3观察：观察产品涂层及损伤处状况。从宏观、微观（显微镜）等多方面对磨损痕迹作观察。注意任何一个细节，是找到真正失效原因的关键。3.4描述：描述观察到的现象，将目视以及通过显微镜等工具观察到的现象作详尽的描述出来值得说明的一点是：当你在描述你所观察到的现象时，如果发现仅聊聊几个字就完了，那就说明你观察还不够仔细，忽略了很多细节。3.5判断：判断失效模式。根据上面观察到的痕迹现象，结合你的经验，得出是涂层的问题，还是材料的问题、使用的问题，亦或涂层附着力问题等可能原因。3.6分析：整理上面的所有信息，综合分析，得出失效原因的结论（当然，这个结论也允许是“多种可能”）。3.7验证：如果上面的结论还不是很肯定的话，我们还需要做出一些假设，并想办法去进一步验证。3.8改善：提出改善与预防措施：根据上面的结论（一个或多个），我们可以分别做出有针对性的对策（并不需要有完全肯定的结论才可以提出改善和预防措施）。4.1涂层问题：（1）涂层质量问题：

①涂层膜厚问题②附着力问题。③涂层耐磨性问题④涂层韧性不好或是涂层自身应力过大（2）涂层选择不当：①所选涂层抗粘黏性不好②所选涂层硬度不够③所选涂层不能承受工作中的高温4.2材料问题（含热处理）

1）材料质量问题（2）热处理质量问题（3）材料不能承受镀膜温度（4）热处理方式与镀膜温度发生干涉4.3前处理的问题（1）刃口等重点部位毛刺（2）刃口等重点部位烧灼、氧化、生锈（3）表面粗糙度4综合分析①涂层膜厚问题。如果出现以下几种情况，可能是膜厚偏薄的问题：a）使用寿命仅比正常值短了20%左右；b）从磨损痕迹来看，属于正常的磨损：在显微镜下可看到涂层磨损的“斜切面”；c）产品上附着力测试OK；d）膜厚实测结果比我们的标准要求偏低；e）材料硬度正常；（1）涂层质量问题：f）磨损痕迹如下图：图2涂层磨损情况一②附着力问题。如果出现以下几种情况，可能是附着力的问题：a）使用寿命严重低于正常值，与不做涂层的效果差不多，甚至比不做涂层的更差；b）磨损痕迹不正常：涂层脱落的地方磨损非常严重，涂层未脱落的地方的磨损不明显，在显微镜下看不到涂层磨损的“斜切面”；c）在显微镜下观察，涂层未脱落的地方可能有小坑点，但不一定见基材；d）产品上附着力测试结果达不到A级；e）材料硬度正常；f）磨损痕迹如下图：图3涂层磨损情况二③涂层耐磨性问题其实是一个宏观表象，其实质很复杂，它涵盖了很多方面的内容，存在着很多种可能原因。我们在这里所说的主要是针对薄膜硬度偏低而言的。如果出现以下几种情况，可能是涂层耐磨性的问题：a）在主要受摩擦、挤压的表面磨损严重，比如冲棒的头部侧面，如下图4所示A2部位；b）在主要受冲击力的面磨损轻微，甚至完全没有磨损，比如冲棒的头部顶面，如下图4所示A1部位；c）刀具的后刀面磨损严重，前刀面磨损较轻微；d）如下图5，斜面的涂层磨损严重，平面的涂层磨损轻微或完好；e）在显微镜下看磨损痕迹，可看到涂层磨损的“斜切面”，如上图2所示。图5平面与切面的磨损差异图4冲棒A1、A2面示意④涂层韧性不好或是涂层自身应力过大则涂层耐冲击的能力就弱，在受冲击力量较大的表面涂层就易损伤。通常会出现情况有：a）在受撞击力量大的表面，涂层出现裂纹、小片剥落，比如冲棒的A1面可能会出现从中心向四周呈放射状的裂纹；b）而在受摩擦、挤压的表面，涂层的磨损轻微，甚至没有明显磨损；c）在显微镜下观察，涂层脱落的边缘有不整齐、不平滑的崩裂痕迹；d）刀具的前刀面磨损严重，后刀面磨损轻微；e）如果是ALTiN、TiCN等多层膜时，在受冲击力量较大的表面还会出现薄膜层与层之间剥落的现象：外层脱落了，脱落边缘不整齐，没有明显磨损痕迹，但内层还在，如下图6所示：图6多层膜层间剥落（2）涂层选择不当：①所选涂层抗粘黏性不好，比如：加工不锈钢、铝合金、钛合金、镀锌板材冲压等，如选用TiN，则容易发生粘黏问题，形成粘着磨损。故加工上述材料，我们一般都选用TiCN。②所选涂层硬度不够，常见情况有：a）被加工材料硬度很高；b）我们选用的是TiN、CrN涂层；c）使用寿命相对于未涂层的，提高不明显；d）从磨损情况来看，完全正常；e）涂层附着力OK；f）涂层膜厚OK。③所选涂层不能承受工作中的高温：a）刀具、模具的使用环境是高温，比如铝合金压铸模具；b）使用中速度很高，可能产生高温，比如CNC数控加工中心的铣刀；c）但我们选用了不能承受高温的TiN或TiCN涂层。4.2材料问题（含热处理）（1）材料质量问题：①材料硬度与标准硬度明显不符；②材料磨损处或断裂处可见材料缺陷；③对于镜面模具，材料本身达不到要求，镜面上有梨皮纹。（2）热处理质量问题：①材料很容易出现断裂、崩角等问题；②材料上有较严重的裂纹；③材料的硬度比标准偏高或偏低。（3）材料不能承受镀膜温度：①高碳钢在450℃炉温之下，硬度大幅下降；②铍铜模具，如果我们采用450℃的高温镀膜，则一定会使其表面状态改变，因为铍铜材料在320℃时，就会发生重结晶的问题。故对于此种材料，我们的炉温必须在320℃以下。（4）热处理方式与镀膜温度发生干涉：①对于SKD11、Cr12、Cr12MoV这一类材料，如果其热处理时采用了200℃左右的“低温回火”，而我们用450℃的高温镀膜，则使用效果一定不好；②对于刀具、模具，我们不能采用低于350℃的镀膜温度，因为炉温太低，涂层附着力也会较差，使用效果同样不好。（1）刃口等重点部位毛刺：图7刃口毛刺的危害①如上图7，毛刺断裂，涂层随之破坏；②断裂的毛刺还有可能夹在摩擦面之间，导致磨粒磨损。（2）刃口等重点部位烧灼、氧化、生锈如果刃口有烧灼、氧化、生锈等，在涂层前没有完全去除，则局部涂层的附着力就不好；在使用中刃口的涂层会很快脱落，造成裸露的刃口被快速磨损。（3）表面粗糙度①表面粗糙，在微观下就是凹凸不平，这会造成摩擦面之间相互嵌入，凸起的地方局部受到的压强很大，造成涂层很快被破坏，进而造成整体磨损。②这就是我们在镀前要对五金冲压模具作抛光处理的原因。4）模具、刀具本身的问题，表面有做过渗氮处理，但我们并不知情，直接涂层，结果是附着力很不好，在使用、甚至存放中，涂层会大片脱落，脱落处颜色暗黑。4.3前处理的问题

现在我们来回答前面2.3所提到的问题：即涂层后的模具、刀具的“