锻造模具之离子氮化/高熵合金涂层渗镀复合强化技术

文/赵中里，薛勇杰，汪杰·北京化工大学

黄昌文，宋加兵·安徽安簧机械股份有限公司

热模锻自动化锻造生产线为汽车零部件锻造企业的发展方向，机器换人后，模具寿命成为制约生产效率的最主要因素。为了应对竞争日益激烈、劳动力成本不断上升、一线操作人员严重匮乏等问题，基于模具膜基一体化设计思想、变形协调理论、扩散磨损理论，采用离子氮化+高熵合金涂层渗镀复合强化技术使热锻模具寿命倍增，提高了自动化生产线的效率，实现企业效益增加。

随着机器人技术和自动化控制技术日趋成熟及自动化生产线的投资成本不断下降，多机组手工锻造生产线已经越来越不被大家所接受，锻造企业正在逐步地向专业化、自动化方向发展。

锻模寿命低是制约锻造自动化生产线生产效率的主要因素之一。国际先进的精密锻造模具设计和加工核心技术大多被西方一流企业掌握，尽管我国锻造行业有了一定的发展基础，但锻模平均寿命仅为国外先进水平的1/3～1/2。技术封锁使得长寿命、高精度锻造模具制造技术成为锻造行业自动化生产中的共性难题和“卡脖子”问题。

提高模具的寿命其实质是延缓模具的失效，延缓模具失效的前提是要认识模具的失效形式。基于变形协调理论、扩散磨损理论，采用离子氮化+高熵合金涂层渗镀复合强化技术，集抗扩散性能、硬度、韧性、附着强度一体化，将钢质锻造活塞裙模具单次锻打寿命由3000件提高至8000件，模具延寿效果明显。长寿命低成本锻造模具技术的实现，对锻造自动化生产线生产效率的提升，意义重大。

模具延寿技术的必要性

模具寿命不仅影响锻件质量，而且还影响生产效率和成本，是集模具材料、结构设计和制造水平及使用、维护水平的综合反映。现代工业生产中，模具寿命问题越来越引起人们的广泛重视。

在正常生产过程中，模具费用一般占生产成本10%～25%，自动化锻造生产线中由于人力成本支出降低，模具所占比例会更大。若由于某道工序的模具失效而频繁更换或再制造模具，正常的生产工序就会受到严重干扰，频繁换模降低了自动化生产线利用率，并使产品的质量出现波动，同时其成本也会大幅度上升。长寿命锻造模具是实现自动化锻造的前提和保证，是减少单位锻件生产成本，提高自动化生产线生产效率最直接有效的方法。

模具延寿技术研究

“扩散磨损”理论

常见的磨损形式主要包括磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损和腐蚀磨损。应当指出，热锻模具磨损是一个热(温度)—力(摩擦力)—化学介质(润滑剂)等多因素长时间共同作用造成的非线性动力学问题，是多种磨损机理耦合作用的结果。

结合热锻模具的实际使用工况和失效规律，笔者认为现有的、公认的理论不能清楚解释热锻模具的摩擦磨损行为，创新性的提出了热锻模具“扩散磨损”理论，即在锻造过程中，模具的工作面与坯料直接接触，且承受高的循环机械应力和热应力，使得模具与坯料接触面之间的化学元素获得足够的能量，发生相互扩散，从而改变模具表层的化学成分，降低模具材料的性能，使得热锻模具产生扩散磨损。

渗镀复合强化技术——离子氮化+PVD高熵合金涂层

涂层技术是提高模具使用性能且降低单位锻件成本的有效手段。传统的硬质薄膜设计理念是以一种或两种元素为主，高熵合金涂层则突破传统设计理念，由5种以上主要元素组成，每种元素的原子分数介于5%～35%之间。作为一种全新的高性能合金涂层，已经展现出凌驾于传统涂层的优异性能，通过工艺调整，其表面硬度为2000～4000HV，厚度保持在2～8μm，随着体系选择、功能设计、工艺优化、机理等方面研究的不断深入，在耐磨性、耐蚀性、高温稳定性等方面都有着突出的表现。

高熵合金涂层具有硬度高、摩擦系数低、附着力强、化学性能稳定等特点，但它的不足之处在于，针对较软的基体，涂层后的模具结构类似“鸡蛋壳”，在强大的冲击力作用下会被迅速压溃，如图1所示。基于“变形协调”理论，基于模具膜基一体化设计思想，在涂层处理前，采用模具表面化学热处理工艺——离子氮化，提高模具表面的支撑力，避免了“蛋壳效应”，显著提升超硬涂层的表现，如图2所示。

图1 单一镀层承重示意图

图2 渗镀复合层承受重载示意图

综上所述，基于高熵合金涂层“缓慢扩散”效应、“高熵”效应、“晶格畸变”效应、“鸡尾酒”效应，基于变形协调理论，集硬度、韧性、抗氧化性、附着强度、抗扩散性能于一体，采用梯度优化涂层制备工艺在离子氮化后的活塞裙模具(图3)、曲轴模具(图4)、连杆模具(图5)、爪极模具(图6)表面制备了高熵合金涂层，突破表面工程技术应用于热锻模具的关键技术瓶颈，其高熵合金涂层优异的抗扩散性能，以及高的耐磨性、耐腐蚀性，实现了热锻模具寿命倍增。

图3 经过渗镀复合技术处理的活塞裙模具

图4 经过渗镀复合技术处理的曲轴模具

图5 经过渗镀复合技术处理的连杆模具

图6 经过渗镀复合技术处理的爪极模具

激光表面改性

激光表面淬火与激光切割、激光焊接、激光熔覆等技术统称为激光加工技术。激光加工技术具有独特优势，几乎不破坏材料表面粗糙度，不需要冷却介质，是传统加工技术无法比拟的，因此该项技术近年来备受人们关注。

激光表面淬火对工件具有良好的均匀强化效果，其在提高机械产品的硬度、耐磨寿命等方面起着越来越重要的作用，可以很好地解决耐磨性差、硬度低、形状复杂零件的表面强化等问题。如对活塞裙模具实施激光表面淬火后，其使用寿命提高30%；对管子切割刀实施激光表面淬火，刀刃硬度达到63～65HRC，切管更稳定，效率同比提高了30%；对模具刃口实施激光表面淬火，与同等未处理的模具刃口相比，硬度提高了3～4HRC，使用寿命也有所提高。此外，激光表面淬火还应用于机床导轨淬火、齿轮淬火、发动机曲轴的主轴颈和凸轮部位局部淬火，以及各种工具刃口的表面强化。

经济效益指标

通过对渗镀复合强化技术——离子氮化+PVD高熵合金涂层的研究，并将其应用在锻造钢质活塞裙模具上，经小批量验证后，单次模具寿命由3000件提高至8000件，换模次数大幅度降低，设备利用率大幅度提高，达到国内领先、国际先进水平。若该技术在热锻模具中大批量推广应用，每年将节省模具费用至少10亿元，对促进锻造行业实现自动化、智能化和高质量发展具有重大意义。

结束语

随着“中国制造2025”战略的实施，自动化、数字化、智能化是未来制造业企业发展的主要趋势。如今，劳动力成本不断增加，市场竞争日趋激烈,制造业升级到了关键时刻，如果企业不能实现高质量增长，将失去竞争力，最终被市场淘汰。基于扩散阻挡、扩散磨损理论及模具膜基一体化设计思想，设计高熵合金多元多层涂层体系结构、配方体系及基体硬度变化梯度，研发出渗镀复合强化技术，将给国内相关锻造企业和加工企业带来新的利润增长点。