用于成型和模塑工具的CVD涂层

探索CVD涂层在提高成型工具的耐久性和耐磨性方面的好处

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Ionbond™ CVD涂层用于恶劣条件下最苛刻的成型应用

化学气相沉积(CVD)是用于工业成型应用的耐磨涂层的最古老的沉积技术。现代化的CVD机器确保了坚固可靠的操作和高产率。这导致了CVD在某些应用中的普及,如金属成型工具和挤压模具。这些工具在磨料和粘合剂的磨损以及氧化和腐蚀方面要承受恶劣的环境条件,而CVD涂层为它们提供了极强的韧性和耐磨性。

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高度理想的特性和灵活性

CVD工艺的优点包括:

  • 有利的残余应力曲线,允许沉积厚的CVD涂层(20微米及以上)
  • 具有极强韧性和无与伦比的抗冲击疲劳能力的CVD涂层
  • 由于CVD涂层和基体材料之间的相互扩散,CVD涂层在工具上的附着力很高
  • 需要涂层的工具不需要在蒸馏器内旋转
  • 可以对复杂的几何形状进行涂层,包括特定的内径
  • 优异的涂层均匀性,不受刀具几何形状的影响

CVD技术能够以氮化物(N)、碳化物(C)和碳氮化物(CN)的形式生产钛(Ti)或铬(Cr)基涂层。此外,高质量的氧化铝(Al2O3 )层也可以被创造出来,包括α和κ相。这些CVD涂层几乎总是以多层形式沉积,如TiC/TiN、TiN/TiCN/TiN、TiCN/Al2O3 或TiCN/Al2O3 /TiN,其中层的组合是为了满足特定成型应用的要求。涂层厚度通常在5微米到12微米之间,但在某些情况下,涂层厚度可以达到20微米或更多。

各种CVD Ti涂层结构及其优点

TiC

当通过CVD沉积时,TiC层提供了低摩擦系数、高韧性和高抗磨蚀性。这有利于成形应用,如冷成形铁素体和奥氏体不锈钢、高强度低合金钢(HSLA)、高级高强度钢(AHSS)和厚度大于2mm的钢制工件。

TiN/TiC/TiN多层板或TiCN固溶体

在TiN/TiC/TiN多层结构中或在TiCN固溶体中,单独沉积的TiN或TiC涂层的组合进一步提高了成型应用的性能。在涉及不锈钢、HSLA和厚度大于3毫米的钢制工件的轻到中等金属成型应用中,TiCN是首选涂层解决方案。多层CVD涂层TiN/TiC/TiN在冲击载荷下显示出极强的韧性,涂层与工具之间具有卓越的附着力,这使得它成为冷锻钢和温热挤压陶瓷或有色合金的绝佳选择。

Al2O3

Al2O 的CVD沉积可以进一步提高耐氧化性和热硬度,适用于侵蚀性条件,如高温成型应用中。Al2O3 可以在α相(热力学稳定)或κ相(可转移)中沉积,并且通常以多层结构沉积在TiC或TiCN上。Al2O3 层表现出优异的热稳定性和化学惰性,并具有较高的抗腐蚀、抗磨蚀和抗粘着磨损能力。这使得它成为铁和非铁合金热挤压的主要涂层解决方案。

多层TiCN/Al2O3/TiN涂层

最后,多层TiCN/Al2 O3 /TiN涂结合了各层的主要优点。TiCN结合层确保了高耐磨性,并对工具有很好的附着力。Al2 O3 层表现出优良的热稳定性、高热硬度和极强的耐磨性。而TiN顶层可以在涂层成型工具的使用寿命内用于磨损检测。

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适用于许多有涂层后热处理的工具钢

热化学气相沉积是一个热激活的过程,在这个过程中,待镀的工具被加热到一个适当的温度,并暴露在一个或多个固体或液体前体中。例如,卤化物TiCl4、AlCl3或CrCl3。与某些反应性气体如H2、N2或CH4结合,卤化物前体在工具表面发生反应,产生所需的涂层。你看到的示意图显示了一个CVD过程。通过在1,000 °C下结合前体TiCl4和CH4,产生了TiC涂层。

TiCl4 + CH4TiC + 4 HCl

CVD涂层的典型工艺温度,高温(HT)CVD在900℃至1050℃之间,中温(MT)CVD工艺在720℃至900℃之间,由IHI Bernex。这些高的工艺温度可能使某些基础材料不适合CVD,或者需要对工具进行涂层后的热处理。然而,热处理的必要性不应妨碍在工具钢上使用CVD工艺。CVD涂层不受涂层后热处理的影响。当热处理在真空条件下进行时,CVD涂层保持其机械性能和对工具的附着力。

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选择热处理参数以匹配基础材料

通过仔细选择CVD涂层和热处理参数,爱恩邦德的表面工程师帮助防止涂层工具在热处理后出现过度热变形。这可以在普通的冷、热加工工具钢和高速钢中实现(见 表).奥氏体不锈钢甚至可以通过CVD加工而不需要进行涂层后的热处理,因为它在CVD工艺温度以下不会发生相变。另一个例外是热处理的马氏体不锈钢。这也可以在较低的温度下加工,使得使用MT-CVD可以将核心硬度保持在35至40HRC的范围内。

表: 用于成型和模塑工具的基础材料、常见的CVD涂层类型和所需的涂层后热处理概述。

广泛使用的Ionbond™ CVD涂层

成型模和注塑模
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Ionbond™ CVD 10

传统的CVD涂层在金属成形模中的应用Ionbond™ CVD 10是一种CVD TiCN涂层,具有高硬度、良好的韧性和耐磨性,并且比其他CVD涂层如Ionbond™ CVD 13的摩擦系数低。这些特性的结合使Ionbond™ CVD 10成为比Ionbond™ CVD 13更受欢迎的产品,适用于涉及不锈钢、厚度大于3毫米的合金钢和高强度低合金(HSLA)材料的轻中度金属成形应用的开放式公差模具。…

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成型模和注塑模
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Ionbond™ CVD 13

传统的CVD涂层在金属成形模中的应用高硬度、高韧性和高耐磨性使Ionbond CVD™ 13号成为用于轻度至中度金属成型应用的开放式公差工具的通用产品。此外,在冲击载荷下的韧性使Ionbond CVD™ 13号成为用于冷锻和紧固件修整模具的开放公差工具的优秀产品。由于Ionbond™ CVD 13是通过CVD工艺沉积的,它们可以沉积在小开口、复杂几何形状和长宽比(>1:1)的模具上。这种能…

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成型模和注塑模
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Ionbond™ CVD 29

耐高温成型模应用中的三氧化二铝涂层Ionbond™ CVD 29 Al2O3是一种多层CVD涂层,能够应对高温成型应用中的腐蚀性条件。Ionbond™ CVD 29 Al2O3表现出良好的热稳定性、化学惰性和高耐磨性,这使得它成为铁和非铁合金热挤压应用的领先解决方案。此外,Ionbond™ CVD 29的热稳定性、密度和耐腐蚀性使其成为铝铸造应用中开放式公差工具的理想解决方案,因为铝的粘连是造成…

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成型模和注塑模
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Ionbond™ CVD 62

金属成型应用中的附加CVD涂层Ionbond™ CVD 62将CVD沉积的TiC的高硬度、韧性和耐磨性与MoS2固体润滑剂涂层的超低摩擦系数相结合。其结果是,在滑动摩擦是导致工具失效的根本原因的金属成型应用中,是一种更有效的开放式公差工具产品。Ionbond™ CVD 62在铁素体和奥氏体不锈钢、高强度低合金(HSLA)和先进的高强度钢(AHSS)、厚度超过2毫米的合金钢工件、镍合金和钛的成型中…

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Dr. Ing. Tobias Brögelmann

成型与模塑全球分部经理

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