高速钢S6-5-2表面PVD涂覆钛化合物层后表面性能

刘 欢， 李运昌

(1.江苏省昆山第一中等专业学校，江苏 昆山 215300；2.欧瑞康巴尔查斯涂层苏州有限公司，江苏 苏州 215000)

1 试验目的

本次试验选择的材料为S6-5-2，执行标准为DIN1735，是钨钼系韧性高速工具钢，为精冲模具优先选择的工具钢。本次试验研究的主要目的是为精冲模具使用客户解决模具表面涂覆层选择的问题，帮助其改善模具表面质量，提高模具寿命，同时提高工件质量以及工作效率。

这种合金工具钢，经过处理后其碳化物颗粒细小均匀，获得的工件具有耐冲压、高韧性、热塑性好，切削性能优良等特点，并具有良好的耐磨性能。同时该材料可抵抗600 ℃左右的高温，不易软化，红硬性良好，硬度可达64 HRC，而且客户现场应用反馈其耐磨性和韧性强比高铬钢要高。

2 试验材料与方法

试验材料：S6-5-2(DIN1735)，其化学成份参见表1。

试验方法：使用多弧离子镀膜设备进行试验材料的表面涂覆，采用UMT-3多功能高温摩擦磨损试验机进行摩擦磨损性能研究，使用CSM-NHT2纳米压入测试仪(0.1～500 mN)对金属镀膜的硬度进行测量。

2.1 试样制备

试样切割尺寸为30 mm×10 mm×10 mm，并进行调质处理，试样采用淬火温度1 150 ℃，冷却介质为氮气冷，250 ℃出炉空冷，然后立即进行三次回火，回火温度均为560 ℃，最终的工件硬度为64 HRC。

所有制备好的试样，进行表面抛光处理，达到Ra≤0.002 μm。然后在试样表面分别制备TiCN和TiAlN两种不同种类的涂层。

2.2 涂覆层显微硬度测试和摩擦试验

利用CSM-NHT2纳米压入测试仪测量两种涂覆层的硬度，TiCN涂覆层硬度为3 200 Hv0.05，TiAlN涂覆层硬度为3 500 Hv0.05。

选择5 N的载荷分别进行摩擦磨损试验，试验对磨材料为直径3 mm的SiC圆球，试验试样分别为没有涂覆试样，表面涂覆TiCN试样，表面涂覆TiAlN试样。选择摩擦速率70 mm/min，单次行程10 mm，环境温度25 ℃，空气相对湿度约45%，试验时间为30 min，将试验数据导入Origin软件。三种不同表面的试样摩擦系数对比如图1所示。

图1 三种不同表面的试样摩擦系数对比

基体S6-5-2的摩擦系数约在0.525，TiCN涂覆层的摩擦系数约在0.4，而TiAlN涂覆层的摩擦系数约在0.325。摩擦系数越低，其在负载工作过程中表面发热量越低，对于提高冲裁模具的寿命有一定的帮助。

涂覆层发展过程中TiN已经不能满足冲裁工艺的要求，在改良的TiCN涂覆层得到大面积使用后，本次试验分析研究的TiAlN涂覆层，其中加入的Al使得涂覆层的表面结构得到改善，减少了涂覆层与摩擦材料的粘合状况，所以其在实际应用中有助于提高模具的使用寿命。

3 实际工件使用寿命

客户提供一批次使用S6-5-2制作的精冲模具凸模件，分别对模具使用过程中的端面磨损量和工件毛刺高度进行测量分析，并统计如图2所示。

4 分析与讨论

从图2的模具使用状态统计分析可见，在4万冲次后没有涂覆层保护的模具端面磨损呈现快速上升，而涂覆有保护层的模具，在6万冲次后出现较快的磨损速率，但还是远远低于没有涂层保护的模具表面。

对比分析两种涂覆层TiCN和TiAlN后，发现TiAlN涂覆层在S6-5-2精冲模具表面性能提高上优于TiCN涂覆层。TiALN涂覆层保护的S6-5-2模具其生产出的工件毛刺高度远远低于没有涂覆层保护的模具。

带有涂覆层的模具，在6万冲次后出现较快的端面磨损和工件毛刺增高，综合涂覆层TiCN和TiAlN的最高耐热温度或最高工作温度后发现，TiCN的最高工作温度在400 ℃，而TiAlN的最高工作温度在1 100 ℃。这对于连续高速工作的精冲生产来说，有着非常重要的影响，TiCN在出现端面磨损后，冲裁热量在6万冲次后出现快速积累，导致模具端面抗磨损能力下降。因为TiAlN有着较高的工作温度优势，在磨损量达到1 000 VSS/um2后还能有较好的耐磨损抗力。

5 结论

高速钢S6-5-2(DIN1735)在精冲模具经过调质处理后，利用PVD方法表面涂覆TiCN和TiAlN层厚后，能显著提高模具的使用寿命，减缓模具端面磨损速率，同时提高工件的端面质量。

涂覆TiAlN层优于TiCN层在精冲模具上的使用效果，对于冲次寿命要求较高的工作场景可以选用TiAlN层。