鍛造模具之離子氮化/高熵合金涂層滲鍍復合強化技術

文/趙中里，薛勇杰，汪杰·北京化工大學

黃昌文，宋加兵·安徽安簧機械股份有限公司

熱模鍛自動化鍛造生產線為汽車零部件鍛造企業的發展方向，機器換人后，模具壽命成為制約生產效率的最主要因素。為了應對競爭日益激烈、勞動力成本不斷上升、一線操作人員嚴重匱乏等問題，基于模具膜基一體化設計思想、變形協調理論、擴散磨損理論，采用離子氮化+高熵合金涂層滲鍍復合強化技術使熱鍛模具壽命倍增，提高了自動化生產線的效率，實現企業效益增加。

隨著機器人技術和自動化控制技術日趨成熟及自動化生產線的投資成本不斷下降，多機組手工鍛造生產線已經越來越不被大家所接受，鍛造企業正在逐步地向專業化、自動化方向發展。

鍛模壽命低是制約鍛造自動化生產線生產效率的主要因素之一。國際先進的精密鍛造模具設計和加工核心技術大多被西方一流企業掌握，盡管我國鍛造行業有了一定的發展基礎，但鍛模平均壽命僅為國外先進水平的1/3～1/2。技術封鎖使得長壽命、高精度鍛造模具制造技術成為鍛造行業自動化生產中的共性難題和“卡脖子”問題。

提高模具的壽命其實質是延緩模具的失效，延緩模具失效的前提是要認識模具的失效形式?；谧冃螀f調理論、擴散磨損理論，采用離子氮化+高熵合金涂層滲鍍復合強化技術，集抗擴散性能、硬度、韌性、附著強度一體化，將鋼質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。長壽命低成本鍛造模具技術的實現，對鍛造自動化生產線生產效率的提升，意義重大。

模具延壽技術的必要性

模具壽命不僅影響鍛件質量，而且還影響生產效率和成本，是集模具材料、結構設計和制造水平及使用、維護水平的綜合反映。現代工業生產中，模具壽命問題越來越引起人們的廣泛重視。

在正常生產過程中，模具費用一般占生產成本10%～25%，自動化鍛造生產線中由于人力成本支出降低，模具所占比例會更大。若由于某道工序的模具失效而頻繁更換或再制造模具，正常的生產工序就會受到嚴重干擾，頻繁換模降低了自動化生產線利用率，并使產品的質量出現波動，同時其成本也會大幅度上升。長壽命鍛造模具是實現自動化鍛造的前提和保證，是減少單位鍛件生產成本，提高自動化生產線生產效率最直接有效的方法。

模具延壽技術研究

“擴散磨損”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。應當指出，熱鍛模具磨損是一個熱(溫度)—力(摩擦力)—化學介質(潤滑劑)等多因素長時間共同作用造成的非線性動力學問題，是多種磨損機理耦合作用的結果。

結合熱鍛模具的實際使用工況和失效規律，筆者認為現有的、公認的理論不能清楚解釋熱鍛模具的摩擦磨損行為，創新性的提出了熱鍛模具“擴散磨損”理論，即在鍛造過程中，模具的工作面與坯料直接接觸，且承受高的循環機械應力和熱應力，使得模具與坯料接觸面之間的化學元素獲得足夠的能量，發生相互擴散，從而改變模具表層的化學成分，降低模具材料的性能，使得熱鍛模具產生擴散磨損。

滲鍍復合強化技術——離子氮化+PVD高熵合金涂層

涂層技術是提高模具使用性能且降低單位鍛件成本的有效手段。傳統的硬質薄膜設計理念是以一種或兩種元素為主，高熵合金涂層則突破傳統設計理念，由5種以上主要元素組成，每種元素的原子分數介于5%～35%之間。作為一種全新的高性能合金涂層，已經展現出凌駕于傳統涂層的優異性能，通過工藝調整，其表面硬度為2000～4000HV，厚度保持在2～8μm，隨著體系選擇、功能設計、工藝優化、機理等方面研究的不斷深入，在耐磨性、耐蝕性、高溫穩定性等方面都有著突出的表現。

高熵合金涂層具有硬度高、摩擦系數低、附著力強、化學性能穩定等特點，但它的不足之處在于，針對較軟的基體，涂層后的模具結構類似“雞蛋殼”，在強大的沖擊力作用下會被迅速壓潰，如圖1所示。基于“變形協調”理論，基于模具膜基一體化設計思想，在涂層處理前，采用模具表面化學熱處理工藝——離子氮化，提高模具表面的支撐力，避免了“蛋殼效應”，顯著提升超硬涂層的表現，如圖2所示。

圖1 單一鍍層承重示意圖

圖2 滲鍍復合層承受重載示意圖

綜上所述，基于高熵合金涂層“緩慢擴散”效應、“高熵”效應、“晶格畸變”效應、“雞尾酒”效應，基于變形協調理論，集硬度、韌性、抗氧化性、附著強度、抗擴散性能于一體，采用梯度優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，突破表面工程技術應用于熱鍛模具的關鍵技術瓶頸，其高熵合金涂層優異的抗擴散性能，以及高的耐磨性、耐腐蝕性，實現了熱鍛模具壽命倍增。

圖3 經過滲鍍復合技術處理的活塞裙模具

圖4 經過滲鍍復合技術處理的曲軸模具

圖5 經過滲鍍復合技術處理的連桿模具

圖6 經過滲鍍復合技術處理的爪極模具

激光表面改性

激光表面淬火與激光切割、激光焊接、激光熔覆等技術統稱為激光加工技術。激光加工技術具有獨特優勢，幾乎不破壞材料表面粗糙度，不需要冷卻介質，是傳統加工技術無法比擬的，因此該項技術近年來備受人們關注。

激光表面淬火對工件具有良好的均勻強化效果，其在提高機械產品的硬度、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、形狀復雜零件的表面強化等問題。如對活塞裙模具實施激光表面淬火后，其使用壽命提高30%；對管子切割刀實施激光表面淬火，刀刃硬度達到63～65HRC，切管更穩定，效率同比提高了30%；對模具刃口實施激光表面淬火，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，激光表面淬火還應用于機床導軌淬火、齒輪淬火、發動機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化。

經濟效益指標

通過對滲鍍復合強化技術——離子氮化+PVD高熵合金涂層的研究，并將其應用在鍛造鋼質活塞裙模具上，經小批量驗證后，單次模具壽命由3000件提高至8000件，換模次數大幅度降低，設備利用率大幅度提高，達到國內領先、國際先進水平。若該技術在熱鍛模具中大批量推廣應用，每年將節省模具費用至少10億元，對促進鍛造行業實現自動化、智能化和高質量發展具有重大意義。

結束語

隨著“中國制造2025”戰略的實施，自動化、數字化、智能化是未來制造業企業發展的主要趨勢。如今，勞動力成本不斷增加，市場競爭日趨激烈,制造業升級到了關鍵時刻，如果企業不能實現高質量增長，將失去競爭力，最終被市場淘汰。基于擴散阻擋、擴散磨損理論及模具膜基一體化設計思想，設計高熵合金多元多層涂層體系結構、配方體系及基體硬度變化梯度，研發出滲鍍復合強化技術，將給國內相關鍛造企業和加工企業帶來新的利潤增長點。