涂层在冷精整模具上的应用

2022-11-14李建华陈晨杰喻擎天上海纳铁福传动系统有限公司

锻造与冲压 2022年21期

文/李建华，陈晨杰，喻擎天·上海纳铁福传动系统有限公司

在一定的工况下，本方案选用TiCN、TiAlN、TiAlSiN 和CrAlN 四种涂层用于汽车等速传动轴冷精整模具上进行对比试验，确定最优的模具涂层类型。认为涂层CrAlN 更适合用于汽车等速传动轴冷精整模具，具有使用寿命长、生产消耗少、换线次数少、模具库存少等优点。

汽车等速传动轴采用精密锻造成形加工方法，需要经过一道冷精整工序，冷精整为锻件最终成形工序，尺寸精度要求高，球道的冷精整尺寸及表面质量直接影响到传动轴的使用寿命，而该工序的加工主要依靠冷精整模具来保证。冷精整为冷加工变形，变形抗力大，摩擦力大，冷精整模具服役过程中承受拉伸、挤压、冲击、摩擦等机械力反复作用，从而可能产生变形、开裂、崩块、剥落、断裂、磨损、拉毛、粘合、疲劳等失效形式，因此该模具需具备抗变形、抗断裂、抗磨损、抗粘合及耐疲劳的能力。需要具备较高的硬度、强度、韧性、耐磨性、尺寸稳定性及耐疲劳性能。冷精整模具失效会导致锻件的尺寸超差，产生拉毛、表面凹坑、凸起、毛刺、裂纹等质量缺陷。冷精整模具寿命的高低直接关系到生产成本、产品质量和模具库存，提高模具寿命是降低模具消耗的有效途径。

模具寿命提升方法

冷作模具主要用于制造对冷状态下的工件进行压制成形的模具。冷精整模具属于冷作模具，作为冷挤压模具的一种。在一定的服役条件下，其寿命影响因素主要有：①模具材料，冷作模具材料有碳素工具钢，合金工具钢、高速工具钢、硬质合金、钢结硬质合金、粉末高速工具钢、粉末高合金模具钢等，模具材料必须满足模具对塑性、韧性、强度、硬度、抗疲劳等性能要求；②模具结构，包括几何形状、模具间隙、断面倾斜角、过渡角大小等；③热处理及加工制造工艺，热处理不当可能产生热处理缺陷，模具制造工艺不合理，则达不到碎化晶粒，改善方向，提高致密度的目的，模具切削加工应严格保证过渡处圆角半径、圆弧与直线相接处应光滑，保证工作部位光滑无刀痕。

实际生产过程中我们对失效模具长期统计分析发现，85%的冷精整模具报废原因为磨损，磨损引起尺寸超差和表面拉毛(图1)，因此提高冷精整模具耐磨性同时又不降低强度、韧性、尺寸稳定性以及耐疲劳性等是提高其寿命的关键。提高耐磨性的方法很多，而模具结构的优化往往受到产品设计结构限制较多，模具材料的选型往往涉及较高的材料成本，靠热处理及加工制造工艺改进大幅提高耐磨性的难度大、成本高。由于磨损发生在模具表面，而表面性能的改良往往不影响基体的强度、韧性等性能指标，如今的表面改性技术取得了很大进步，其中涂层技术已经广泛应用于提高刀具表面性能，随着涂层技术的快速发展，新型超硬涂层、纳米涂层等先进涂层不断涌现，为模具寿命提升提供了很好的技术条件和研究方向。本文主要尝试从涂层表面改性技术角度来验证提高模具寿命。

涂层种类及特性

涂层的种类很多，按照涂层化学元素分可分为钛基涂层、氮化物涂层、碳化物涂层、Al2O3陶瓷涂层等。按照涂层结构分可分为单层涂层、多层涂层以及纳米多层涂层等。常见的模具涂层有TiN、TiC、TiCN、TiSiN、TiAlN、TiAlSiN、CrAlSiN、AlTiCrN、CrAlN。

TiN 是最早商业化应用的涂层，20 世纪80 年代就被应用于高速钢钻头，目前TiN 涂层是工艺最成熟，应用最广泛的涂层，能够提高材料硬度，改善材料摩擦性能，提升刀具和模具使用寿命。但TiN 涂层抗高温氧化性能较差、加上摩擦因素还是偏高、硬度还是偏低，发展受到了限制。TiN 涂层之后衍生出了很多以TiN 为基的涂层，比如TiCN、TiAlN、TiAlSiN。

TiCN 涂层是在单一TiN 晶格中，由碳原子占据氮原子点阵中的位置而形成的复合化合物，具有较好的耐磨性和低摩擦因素，其抗高温氧化温度可达400℃。

TiAlN 涂层与TiN 相比具有膜基结合力强、耐腐蚀性好、耐磨性好等特点。Al 和Si 原子置换fcc 结构的TiN 晶格中的Ti 原子位置，形成TiAlSiN 固溶体，Al 原子半径小于Ti 原子，会引起晶格畸变，使晶格常数减小，起到固溶强化作用，提高了涂层强度和硬度，其抗高温氧化温度可达800℃。

TiAlSiN 涂层有着优良的性能。TiAlN 涂层在沉积生长过程中易于获得柱状生长的粗大晶粒，随着Si 元素的加入，TiAlSiN 涂层的柱状晶明显减少，Si 原子置换fcc 结构的TiN 晶格中的Ti 原子位置，形成TiAlSiN 固溶体，Si 原子半径小于Ti 原子，会引起晶格畸变，使晶格常数减小，提高了涂层强度和硬度；当Si 原子含量增多时，涂层中会出现非晶Si3N4相，形成Si3N4相包裹TiAlN 纳米晶的复合结构，对涂层晶粒长大起到抑制作用，能够提高涂层强度和硬度。有研究表明，随着Si 元素的加入，TiAlSiN 涂层摩擦系数会降低，其抗高温氧化温度可达1000℃。

CrAlN 涂层是Cr 基涂层，具有优良的抗氧化、耐腐蚀、抗粘结性能，在金属成形，注塑注模，高速切削等领域具有广泛应用价值。高速摩擦时，CrAlN涂层中的Cr、Al 元素与空气中的O 反应形成Al2O3、Cr2O3氧化膜，具有抗氧化、耐腐蚀、耐磨、隔热作用，其抗高温氧化温度可达1100℃。

TiN、TiCN 涂层在模具上的应用较多，而TiAlN、TiAlSiN和CrAlN涂层在等速传动轴冷精整模具上应用较少，相关文献资料给出的涂层物理性能参考数据见表1。在一定的工况下，本方案选用TiCN、TiAlN、TiAlSiN 和CrAlN 四种涂层用于等速传动轴冷精整模具上进行对比试验，确定最优的模具涂层类型。

表1 几种涂层的物理性能

涂层制备及检测

预处理工艺流程

对冷精整冲头模具基体材料进行研磨抛光处理，再进行超声波清洗，去除表面油污，清洗后吹干。

涂层制备方法

采用物理气相沉积方法，物理气相沉积有真空蒸镀、溅射镀和离子镀等方法，本文采用真空阴极多弧离子镀，在真空条件下，通过弧光放电，使镀料(如金属钛)气化蒸发离子化，形成空间等离子体经电场加速，以较高能量轰击模具表面，在模具表面沉积具有特殊性能的薄膜。具有涂层均匀，涂层致密，与基体结合力好，表面光洁度好等特点。

试验冷精整冲头模具基体材料为高速钢1.3343，采用同一炉批次模具原材料制造，相同的模具热处理工艺加工，TiCN、TiAlN、TiAlSiN 的制造成本相当，CrAlN 制造成本略高，涂镀后模具涂层外观如图2所示。

涂层检测与性能

对涂层结合力、基体硬度，涂层表面粗糙度、涂层厚度、显微结构等方面进行检测评价。

⑴涂层的结合力对比。采用压痕法测量涂层结合力，本试验采用洛氏硬度计，压头采用120°金刚石圆锥压头，使用150kgf 对试样表面进行加载和卸载，对每个试样压坑3 次，取平均结果。采用100 倍显微镜观察压坑周边区域形貌，参照VDI-3198 标准，用洛氏压坑形貌与涂层结合力HF1-HF6 等级对照表进行评价，评价结果均为HF6，如图3 所示。

⑵涂层基体硬度、表面粗糙度、涂层厚度对比(表2)。采用洛氏硬度计测量模具基体硬度，采用表面粗糙度仪测量涂层表面粗糙度，采用显微方法测量涂层厚度。

表2 涂层硬度、表面粗糙度、厚度对比

⑶显微结构。模具基体组织共晶碳化物不均匀度小于6A 级，如图4(a)所示，引用GB/T 14979-1994 第三评级标准评定。模具基体组织大颗粒碳化物为6 级，如图4(b)所示，引用GB/T 9943-2008钨钼系高速工具钢大颗粒碳化物评级标准评定。

生产验证

制作的冷精整模具用于等速传动轴温锻件的冷精整工序加工，等速传动轴温锻件材质为XC45，类似国标45#钢。设备选用400 吨压力机，工作频率为6秒生产一件。试验寿命对比见表3，失效后模具实物如图5 所示。

表3 试验寿命对比

分析与结论

分析

从参考数据来看，四种涂层均具有较高的表面硬度，都达到3000HV 以上，这是钢材及钢结硬质合金无法比拟的，通常硬度越高，耐磨性会越好。从耐氧化性来看，TiCN、TiAlN、TiAlSiN、CrAlN 耐氧化性依次升高，工作中瞬时摩擦发热温度越高，耐氧化性的优势越明显。从减摩方面来看，涂层摩擦系数均较小，表面粗糙度低，有类似润滑效果，有利于提高耐磨性，另外涂层能够使模具和零件不直接接触，起到隔离作用，减小粘合力。从涂层结合力来看，四种涂层的结合力均达到HF6,无明显差异。从模具基体材料硬度来看，硬度较高，约60HRC，为表面涂层提供了良好的基体支撑，同时能够在涂层磨损后保持相对较高的耐磨性，不至于迅速磨损报废，同时具有较高的强度和一定的韧性，有利于模具寿命提升。从涂层厚度来看，四种涂层厚度相当，涂层厚度越高，耐磨时间越长，但涂层厚度越高，涂层的结合力会降低，又会降低耐磨性。从基体材料金相来看，共晶碳化物不均匀度和大颗粒碳化物级别较高，不利于耐磨性及模具寿命提升，可作为后期改进空间。从最终服役寿命表现来看，四种涂层寿命及稳定性差异较大，从后期的小批量生产试验结果上得到了印证，与对比试验的结果一致，从以上测试的指标上不能反映四种涂层寿命及稳定性的巨大差异，需要进一步深入分析，包括涂层成分比、涂层结构、微观形貌、晶体结构、亚结构及涂层与基体结合方式上的差异。