PVD涂層后的刀具、模具失效分析

1、 PVD 涂層后的刀具、模具失效分析涂層后的刀具、模具失效分析由于刀具、五金沖壓拉伸模具 PVD 涂層（ALTiN、TiCN、TiN、CrN 等）目的就是提高其耐磨性，故與我們涂層有關(guān)的刀具、模具壽命問題主要都是磨損問題。所以我們在本章節(jié)主要就從分析磨損來討論涂層刀具、模具失效分析。1.1 異常的具體現(xiàn)象，比如磨損、崩刃、粘料、產(chǎn)品拉痕、蝕紋塑膠產(chǎn)品發(fā)亮等。1.2 使用壽命的數(shù)據(jù)，以及與之相比對或預(yù)期壽命的數(shù)據(jù)，或者是異常出現(xiàn)的時機。1.3 模具、刀具的不良率，比如 100%，還是 1%，甚至只是個例等。1.4 加工方式與參數(shù)（包括機臺、被加工件的信息、環(huán)境條件等）。1.5 要求客戶將使用過，

2、已失效的不良樣品返回作分析。一：需與客戶確認的問題一：需與客戶確認的問題2 刀具、模具涂層前后磨損差異分析刀具、模具涂層前后磨損差異分析圖 1刀具、模具涂層前后磨損曲線2.1 刀具、模具涂層前后磨損曲線2.2 從上圖，我們可以看出，刀模具涂層后主要是“正常磨損階段（即 AB 之間）”的時間延長了。也就是說，我們所說的“延長刀具、模具使用壽命”就是延長“正常磨損階段”的時間。2.3 比較上面的兩條曲線，發(fā)現(xiàn)“B 1 C 1 ”比“B 2 C 2 ”更長，也就是說涂層后的刀具、模具“嚴(yán)重磨損階段”時間更短，磨損更快。 這是什么原因呢？2.4 我們做刀模具耐磨性分析，主要就是分析“正常磨損階段”是否

3、正常，以及是否達到預(yù)期時長、行程或次數(shù)。3 分析的流程（“十六字”方針）3.1 追溯：追溯生產(chǎn)記錄，如所選制程，OQC 的膜厚、附著力，前處理時是否有拋光、噴砂等。3.2 檢測：檢測產(chǎn)品材料與涂層參數(shù)，如材料硬度、涂層實際膜厚、附著力等。3.3 觀察：觀察產(chǎn)品涂層及損傷處狀況。從宏觀、微觀（顯微鏡）等多方面對磨損痕跡作觀察。注意任何一個細節(jié)，是找到真正失效原因的關(guān)鍵。3.4 描述：描述觀察到的現(xiàn)象，將目視以及通過顯微鏡等工具觀察到的現(xiàn)象作詳盡的描述出來值得說明的一點是： 當(dāng)你在描述你所觀察到的現(xiàn)象時，如果發(fā)現(xiàn)僅聊聊幾個字就完了，那就說明你觀察還不夠仔細，忽略了很多細節(jié)。3.5 判斷：判斷失效模

4、式。根據(jù)上面觀察到的痕跡現(xiàn)象，結(jié)合你的經(jīng)驗，得出是涂層的問題，還是材料的問題、使用的問題，亦或涂層附著力問題等可能原因。3.6 分析：整理上面的所有信息，綜合分析，得出失效原因的結(jié)論（當(dāng)然，這個結(jié)論也允許是“多種可能”）。3.7 驗證：如果上面的結(jié)論還不是很肯定的話，我們還需要做出一些假設(shè)，并想辦法去進一步驗證。3.8 改善：提出改善與預(yù)防措施：根據(jù)上面的結(jié)論（一個或多個），我們可以分別做出有針對性的對策（并不需要有完全肯定的結(jié)論才可以提出改善和預(yù)防措施）。4.1 涂層問題涂層問題：（1）涂層質(zhì)量問題： 涂層膜厚問題 附著力問題。 涂層耐磨性問題 涂層韌性不好或是涂層自身應(yīng)力過大（2）涂層選擇

5、不當(dāng)： 所選涂層抗粘黏性不好 所選涂層硬度不夠 所選涂層不能承受工作中的高溫4.2 材料問題（含熱處理）材料問題（含熱處理） 1）材料質(zhì)量問題（2）熱處理質(zhì)量問題（3）材料不能承受鍍膜溫度（4）熱處理方式與鍍膜溫度發(fā)生干涉4.3前處理的問題前處理的問題（1）刃口等重點部位毛刺（2）刃口等重點部位燒灼、氧化、生銹（3）表面粗糙度4 綜合分析 涂層膜厚問題涂層膜厚問題。如果出現(xiàn)以下幾種情況，可能是膜厚偏薄的問題： a） 使用壽命僅比正常值短了 20%左右；b） 從磨損痕跡來看，屬于正常的磨損：在顯微鏡下可看到涂層磨損的“斜切面”；c） 產(chǎn)品上附著力測試 OK；d） 膜厚實測結(jié)果比我們的標(biāo)準(zhǔn)要求偏低

6、；e） 材料硬度正常；（1）涂層質(zhì)量問題：f） 磨損痕跡如下圖：圖 2 涂層磨損情況一 附著力問題。附著力問題。如果出現(xiàn)以下幾種情況，可能是附著力的問題：a） 使用壽命嚴(yán)重低于正常值，與不做涂層的效果差不多，甚至比不做涂層的更差；b） 磨損痕跡不正常：涂層脫落的地方磨損非常嚴(yán)重，涂層未脫落的地方的磨損不明顯，在顯微鏡下看不到涂層磨損的“斜切面”；c） 在顯微鏡下觀察，涂層未脫落的地方可能有小坑點，但不一定見基材；d） 產(chǎn)品上附著力測試結(jié)果達不到 A 級；e） 材料硬度正常；f） 磨損痕跡如下圖：圖3 涂層磨損情況二 涂層耐磨性問題涂層耐磨性問題其實是一個宏觀表象，其實質(zhì)很復(fù)雜，它涵蓋了很多方面

7、的內(nèi)容，存在著很多種可能原因。我們在這里所說的主要是針對薄膜硬度偏低而言的。如果出現(xiàn)以下幾種情況，可能是涂層耐磨性的問題：a） 在主要受摩擦、擠壓的表面磨損嚴(yán)重，比如沖棒的頭部側(cè)面，如下圖 4 所示A 2 部位；b） 在主要受沖擊力的面磨損輕微，甚至完全沒有磨損，比如沖棒的頭部頂面，如下圖 4 所示A 1 部位；c） 刀具的后刀面磨損嚴(yán)重，前刀面磨損較輕微；d） 如下圖5，斜面的涂層磨損嚴(yán)重，平面的涂層磨損輕微或完好；e） 在顯微鏡下看磨損痕跡，可看到涂層磨損的“斜切面”，如上圖 2 所示。圖 5平面與切面的磨損差異圖 4 沖棒A 1 、A 2 面示意 涂層韌性不好或是涂層自身應(yīng)力過大涂層韌性

8、不好或是涂層自身應(yīng)力過大則涂層耐沖擊的能力就弱，在受沖擊力量較大的表面涂層就易損傷。通常會出現(xiàn)情況有：a） 在受撞擊力量大的表面，涂層出現(xiàn)裂紋、小片剝落，比如沖棒的A 1 面可能會出現(xiàn)從中心向四周呈放射狀的裂紋；b） 而在受摩擦、擠壓的表面，涂層的磨損輕微，甚至沒有明顯磨損；c） 在顯微鏡下觀察，涂層脫落的邊緣有不整齊、不平滑的崩裂痕跡；d） 刀具的前刀面磨損嚴(yán)重，后刀面磨損輕微；e） 如果是 ALTiN、TiCN 等多層膜時，在受沖擊力量較大的表面還會出現(xiàn)薄膜層與層之間剝落的現(xiàn)象：外層脫落了，脫落邊緣不整齊，沒有明顯磨損痕跡，但內(nèi)層還在，如下圖 6所示：圖 6 多層膜層間剝落（2）涂層選擇不

9、當(dāng)：）涂層選擇不當(dāng)： 所選涂層抗粘黏性不好，比如：加工不銹鋼、鋁合金、鈦合金、鍍鋅板材沖壓等，如選用 TiN，則容易發(fā)生粘黏問題，形成粘著磨損。故加工上述材料，我們一般都選用 TiCN。 所選涂層硬度不夠，常見情況有： a） 被加工材料硬度很高； b） 我們選用的是 TiN、CrN 涂層； c） 使用壽命相對于未涂層的，提高不明顯； d） 從磨損情況來看，完全正常； e） 涂層附著力 OK； f） 涂層膜厚 OK。 所選涂層不能承受工作中的高溫：a） 刀具、模具的使用環(huán)境是高溫，比如鋁合金壓鑄模具；b） 使用中速度很高，可能產(chǎn)生高溫，比如 CNC 數(shù)控加工中心的銑刀；c） 但我們選用了不能承受

10、高溫的 TiN 或 TiCN 涂層。4.2 材料問題（含熱處理）（1）材料質(zhì)量問題： 材料硬度與標(biāo)準(zhǔn)硬度明顯不符； 材料磨損處或斷裂處可見材料缺陷； 對于鏡面模具，材料本身達不到要求，鏡面上有梨皮紋。（2）熱處理質(zhì)量問題： 材料很容易出現(xiàn)斷裂、崩角等問題； 材料上有較嚴(yán)重的裂紋； 材料的硬度比標(biāo)準(zhǔn)偏高或偏低。（3）材料不能承受鍍膜溫度： 高碳鋼在 450爐溫之下，硬度大幅下降； 鈹銅模具，如果我們采用 450的高溫鍍膜，則一定會使其表面狀態(tài)改變，因為鈹銅材料在 320時，就會發(fā)生重結(jié)晶的問題。故對于此種材料，我們的爐溫必須在 320以下。（4）熱處理方式與鍍膜溫度發(fā)生干涉： 對于 SKD11、

11、 Cr12、 Cr12MoV 這一類材料， 如果其熱處理時采用了 200左右的 “低溫回火”，而我們用 450的高溫鍍膜，則使用效果一定不好； 對于刀具、模具，我們不能采用低于 350的鍍膜溫度，因為爐溫太低，涂層附著力也會較差，使用效果同樣不好。（1）刃口等重點部位毛刺： 圖 7 刃口毛刺的危害 如上圖 7，毛刺斷裂，涂層隨之破壞； 斷裂的毛刺還有可能夾在摩擦面之間，導(dǎo)致磨粒磨損。（2）刃口等重點部位燒灼、氧化、生銹 如果刃口有燒灼、氧化、生銹等，在涂層前沒有完全去除，則局部涂層的附著力就不好；在使用中刃口的涂層會很快脫落，造成裸露的刃口被快速磨損。（3）表面粗糙度 表面粗糙，在微觀下就是凹凸不平，這會造成摩擦面之間相互嵌入，凸起的地方局部受到的壓強很大，造成涂層很快被破壞，進而造成整體磨損。 這就是我們在鍍前要對五金沖壓模具作拋光處理的原因。4）模具、刀具本身的問題，表面有做過滲氮處理，但我們并不知情，直接涂層，結(jié)果是附著力很不好，在使用、甚至存放中，涂層會大片脫落，脫落處顏色暗黑。4.3前處理的問題 現(xiàn)在我們來回答前面 2.3 所提到的問題：即涂層后的模具、刀具的“快速磨損階段”比不涂層的更短，即磨損更快，為什么？（1） 磨粒磨