鍛造模具之離子氮化/高熵合金涂層滲鍍復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)

文/趙中里，薛勇杰，汪杰·北京化工大學(xué)

黃昌文，宋加兵·安徽安簧機(jī)械股份有限公司

熱模鍛自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線為汽車零部件鍛造企業(yè)的發(fā)展方向，機(jī)器換人后，模具壽命成為制約生產(chǎn)效率的最主要因素。為了應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、勞動(dòng)力成本不斷上升、一線操作人員嚴(yán)重匱乏等問題，基于模具膜基一體化設(shè)計(jì)思想、變形協(xié)調(diào)理論、擴(kuò)散磨損理論，采用離子氮化+高熵合金涂層滲鍍復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)使熱鍛模具壽命倍增，提高了自動(dòng)化生產(chǎn)線的效率，實(shí)現(xiàn)企業(yè)效益增加。

隨著機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)化控制技術(shù)日趨成熟及自動(dòng)化生產(chǎn)線的投資成本不斷下降，多機(jī)組手工鍛造生產(chǎn)線已經(jīng)越來越不被大家所接受，鍛造企業(yè)正在逐步地向?qū)I(yè)化、自動(dòng)化方向發(fā)展。

鍛模壽命低是制約鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的主要因素之一。國(guó)際先進(jìn)的精密鍛造模具設(shè)計(jì)和加工核心技術(shù)大多被西方一流企業(yè)掌握，盡管我國(guó)鍛造行業(yè)有了一定的發(fā)展基礎(chǔ)，但鍛模平均壽命僅為國(guó)外先進(jìn)水平的1/3～1/2。技術(shù)封鎖使得長(zhǎng)壽命、高精度鍛造模具制造技術(shù)成為鍛造行業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中的共性難題和“卡脖子”問題。

提高模具的壽命其實(shí)質(zhì)是延緩模具的失效，延緩模具失效的前提是要認(rèn)識(shí)模具的失效形式。基于變形協(xié)調(diào)理論、擴(kuò)散磨損理論，采用離子氮化+高熵合金涂層滲鍍復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)，集抗擴(kuò)散性能、硬度、韌性、附著強(qiáng)度一體化，將鋼質(zhì)鍛造活塞裙模具單次鍛打壽命由3000件提高至8000件，模具延壽效果明顯。長(zhǎng)壽命低成本鍛造模具技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)鍛造自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的提升，意義重大。

模具延壽技術(shù)的必要性

模具壽命不僅影響鍛件質(zhì)量，而且還影響生產(chǎn)效率和成本，是集模具材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造水平及使用、維護(hù)水平的綜合反映。現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，模具壽命問題越來越引起人們的廣泛重視。

在正常生產(chǎn)過程中，模具費(fèi)用一般占生產(chǎn)成本10%～25%，自動(dòng)化鍛造生產(chǎn)線中由于人力成本支出降低，模具所占比例會(huì)更大。若由于某道工序的模具失效而頻繁更換或再制造模具，正常的生產(chǎn)工序就會(huì)受到嚴(yán)重干擾，頻繁換模降低了自動(dòng)化生產(chǎn)線利用率，并使產(chǎn)品的質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)，同時(shí)其成本也會(huì)大幅度上升。長(zhǎng)壽命鍛造模具是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化鍛造的前提和保證，是減少單位鍛件生產(chǎn)成本，提高自動(dòng)化生產(chǎn)線生產(chǎn)效率最直接有效的方法。

模具延壽技術(shù)研究

“擴(kuò)散磨損”理論

常見的磨損形式主要包括磨粒磨損、粘著磨損、疲勞磨損和腐蝕磨損。應(yīng)當(dāng)指出，熱鍛模具磨損是一個(gè)熱(溫度)—力(摩擦力)—化學(xué)介質(zhì)(潤(rùn)滑劑)等多因素長(zhǎng)時(shí)間共同作用造成的非線性動(dòng)力學(xué)問題，是多種磨損機(jī)理耦合作用的結(jié)果。

結(jié)合熱鍛模具的實(shí)際使用工況和失效規(guī)律，筆者認(rèn)為現(xiàn)有的、公認(rèn)的理論不能清楚解釋熱鍛模具的摩擦磨損行為，創(chuàng)新性的提出了熱鍛模具“擴(kuò)散磨損”理論，即在鍛造過程中，模具的工作面與坯料直接接觸，且承受高的循環(huán)機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力，使得模具與坯料接觸面之間的化學(xué)元素獲得足夠的能量，發(fā)生相互擴(kuò)散，從而改變模具表層的化學(xué)成分，降低模具材料的性能，使得熱鍛模具產(chǎn)生擴(kuò)散磨損。

滲鍍復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)——離子氮化+PVD高熵合金涂層

涂層技術(shù)是提高模具使用性能且降低單位鍛件成本的有效手段。傳統(tǒng)的硬質(zhì)薄膜設(shè)計(jì)理念是以一種或兩種元素為主，高熵合金涂層則突破傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念，由5種以上主要元素組成，每種元素的原子分?jǐn)?shù)介于5%～35%之間。作為一種全新的高性能合金涂層，已經(jīng)展現(xiàn)出凌駕于傳統(tǒng)涂層的優(yōu)異性能，通過工藝調(diào)整，其表面硬度為2000～4000HV，厚度保持在2～8μm，隨著體系選擇、功能設(shè)計(jì)、工藝優(yōu)化、機(jī)理等方面研究的不斷深入，在耐磨性、耐蝕性、高溫穩(wěn)定性等方面都有著突出的表現(xiàn)。

高熵合金涂層具有硬度高、摩擦系數(shù)低、附著力強(qiáng)、化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，但它的不足之處在于，針對(duì)較軟的基體，涂層后的模具結(jié)構(gòu)類似“雞蛋殼”，在強(qiáng)大的沖擊力作用下會(huì)被迅速壓潰，如圖1所示?；凇白冃螀f(xié)調(diào)”理論，基于模具膜基一體化設(shè)計(jì)思想，在涂層處理前，采用模具表面化學(xué)熱處理工藝——離子氮化，提高模具表面的支撐力，避免了“蛋殼效應(yīng)”，顯著提升超硬涂層的表現(xiàn)，如圖2所示。

圖1 單一鍍層承重示意圖

圖2 滲鍍復(fù)合層承受重載示意圖

綜上所述，基于高熵合金涂層“緩慢擴(kuò)散”效應(yīng)、“高熵”效應(yīng)、“晶格畸變”效應(yīng)、“雞尾酒”效應(yīng)，基于變形協(xié)調(diào)理論，集硬度、韌性、抗氧化性、附著強(qiáng)度、抗擴(kuò)散性能于一體，采用梯度優(yōu)化涂層制備工藝在離子氮化后的活塞裙模具(圖3)、曲軸模具(圖4)、連桿模具(圖5)、爪極模具(圖6)表面制備了高熵合金涂層，突破表面工程技術(shù)應(yīng)用于熱鍛模具的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，其高熵合金涂層優(yōu)異的抗擴(kuò)散性能，以及高的耐磨性、耐腐蝕性，實(shí)現(xiàn)了熱鍛模具壽命倍增。

圖3 經(jīng)過滲鍍復(fù)合技術(shù)處理的活塞裙模具

圖4 經(jīng)過滲鍍復(fù)合技術(shù)處理的曲軸模具

圖5 經(jīng)過滲鍍復(fù)合技術(shù)處理的連桿模具

圖6 經(jīng)過滲鍍復(fù)合技術(shù)處理的爪極模具

激光表面改性

激光表面淬火與激光切割、激光焊接、激光熔覆等技術(shù)統(tǒng)稱為激光加工技術(shù)。激光加工技術(shù)具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，幾乎不破壞材料表面粗糙度，不需要冷卻介質(zhì)，是傳統(tǒng)加工技術(shù)無(wú)法比擬的，因此該項(xiàng)技術(shù)近年來備受人們關(guān)注。

激光表面淬火對(duì)工件具有良好的均勻強(qiáng)化效果，其在提高機(jī)械產(chǎn)品的硬度、耐磨壽命等方面起著越來越重要的作用，可以很好地解決耐磨性差、硬度低、形狀復(fù)雜零件的表面強(qiáng)化等問題。如對(duì)活塞裙模具實(shí)施激光表面淬火后，其使用壽命提高30%；對(duì)管子切割刀實(shí)施激光表面淬火，刀刃硬度達(dá)到63～65HRC，切管更穩(wěn)定，效率同比提高了30%；對(duì)模具刃口實(shí)施激光表面淬火，與同等未處理的模具刃口相比，硬度提高了3～4HRC，使用壽命也有所提高。此外，激光表面淬火還應(yīng)用于機(jī)床導(dǎo)軌淬火、齒輪淬火、發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的主軸頸和凸輪部位局部淬火，以及各種工具刃口的表面強(qiáng)化。

經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)

通過對(duì)滲鍍復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)——離子氮化+PVD高熵合金涂層的研究，并將其應(yīng)用在鍛造鋼質(zhì)活塞裙模具上，經(jīng)小批量驗(yàn)證后，單次模具壽命由3000件提高至8000件，換模次數(shù)大幅度降低，設(shè)備利用率大幅度提高，達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平。若該技術(shù)在熱鍛模具中大批量推廣應(yīng)用，每年將節(jié)省模具費(fèi)用至少10億元，對(duì)促進(jìn)鍛造行業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化和高質(zhì)量發(fā)展具有重大意義。

結(jié)束語(yǔ)

隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的實(shí)施，自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化是未來制造業(yè)企業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。如今，勞動(dòng)力成本不斷增加，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,制造業(yè)升級(jí)到了關(guān)鍵時(shí)刻，如果企業(yè)不能實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量增長(zhǎng)，將失去競(jìng)爭(zhēng)力，最終被市場(chǎng)淘汰?；跀U(kuò)散阻擋、擴(kuò)散磨損理論及模具膜基一體化設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)高熵合金多元多層涂層體系結(jié)構(gòu)、配方體系及基體硬度變化梯度，研發(fā)出滲鍍復(fù)合強(qiáng)化技術(shù)，將給國(guó)內(nèi)相關(guān)鍛造企業(yè)和加工企業(yè)帶來新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)。