鍛造模具PVD涂層設(shè)計及制備研究

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鍛造行業(yè)是我國制造業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中占據(jù)著重要地位，但作為耗能耗材大戶，年耗用模具鋼材超百萬噸，因模具壽命不足所造成的材料、能源和工時損失與浪費達(dá)到數(shù)十億元，與國外先進(jìn)水平相比，節(jié)材的潛力很大。如何實現(xiàn)鍛造行業(yè)節(jié)材減材、清潔生產(chǎn)？空間有多大？著力點在哪？這是鍛造行業(yè)實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”繞不過的問題。從近幾年的應(yīng)用情況看，表面涂層技術(shù)是提高模具壽命的重要途徑。涂層模具兼具基體材料強(qiáng)度高、韌性好、良好熱穩(wěn)定性以及涂層材料高硬度、高耐磨性、低摩擦系數(shù)、良好抗高溫氧化性等優(yōu)點，有效克服了模具硬度與韌性不能很好匹配的問題，提高了模具質(zhì)量和使用壽命，是助力鍛造行業(yè)實現(xiàn)低碳、清潔生產(chǎn)最具潛力的技術(shù)之一。但是，目前產(chǎn)業(yè)化的熱鍛模具涂層在使用過程中，大都存在涂層性能隨著工作溫度的提高而迅速惡化，出現(xiàn)氧化、裂紋及脫層等問題，導(dǎo)致涂層提前失效，因此，深入研究鍛造模具涂層技術(shù)具有重要意義。本文介紹了pvd涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計思路及制備工藝，以期獲得優(yōu)異的涂層整體力學(xué)性能，滿足涂層抗熱-力-機(jī)械循環(huán)作用的工況需求，為PVD涂層技術(shù)在熱鍛模具行業(yè)的應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

一、涂層結(jié)構(gòu)設(shè)計

在涂層材料多元化發(fā)展的同時，新型涂層被不斷研發(fā)出來，由初始的單一涂層發(fā)展至多層涂層、多元多層涂層，再至現(xiàn)代的高熵多層復(fù)合涂層或高熵梯度復(fù)合涂層。依據(jù)目前物理氣相沉積技術(shù)的理論研究，涂層的結(jié)構(gòu)可大致分為：單一涂層、多層涂層、納米多層涂層、梯度涂層、納米多層梯度涂層等。

1“納米多層涂層”設(shè)計

單層涂層研究較為深入，工藝相對簡單，目前多采用多弧離子鍍和磁控濺射方法制備單層涂層，但由于單層涂層內(nèi)應(yīng)力較大、脆性高、韌性低、抗氧化性能弱等原因，導(dǎo)致涂層使用過程中極易出現(xiàn)裂紋，限制了在熱鍛模具領(lǐng)域的應(yīng)用及推廣。有研究學(xué)者根據(jù)強(qiáng)化原理，即晶體結(jié)構(gòu)和彈性模量的差異導(dǎo)致位錯在界面處受阻從而形成強(qiáng)化，制備了Cr/CrN納米多層涂層，如圖1所示。Cr/CrN納米多層涂層集合兩種相的性能優(yōu)點，金屬相用來吸收過度的塑性變形，而陶瓷相提供硬度和耐磨性，還具有界面效應(yīng)、層間耦合效應(yīng)等結(jié)構(gòu)特性，可以改變表面微裂紋傳播擴(kuò)展方向，延緩微裂紋縱向擴(kuò)散深度和速度，因而表現(xiàn)出比單層涂層更好的性能。筆者在熱鍛齒輪模具表面沉積Cr/CrN/CrAlTiN納米多層涂層后，試驗發(fā)現(xiàn)鍍涂層模具比未鍍涂層模具的壽命增加1倍。

2“梯度涂層”設(shè)計

梯度化的結(jié)構(gòu)設(shè)計方法已經(jīng)在很多先進(jìn)工程材料中得到運用，各組原材料在組成、結(jié)構(gòu)、密度及功能等方面在材料內(nèi)部呈梯度變化，從而獲得了單一結(jié)構(gòu)材料無法比擬的優(yōu)點，有望改善涂層應(yīng)力，提高結(jié)合力。涂層“梯度結(jié)構(gòu)”設(shè)計包括成分梯度設(shè)計及硬度梯度設(shè)計，如圖3所示。通過設(shè)計涂層成分呈階梯形布置，將涂層的元素成分、物理化學(xué)性質(zhì)和組成構(gòu)造進(jìn)行連續(xù)轉(zhuǎn)換，以減少涂層與基體或多層涂層間的突變界面，以便更有效地減少界面上的應(yīng)力集中，減緩裂紋的萌生和擴(kuò)展，提高涂層的綜合力學(xué)性能。另外，可合理制定涂層制備工藝，使涂層由內(nèi)到外硬度逐漸增大，最內(nèi)層結(jié)合力最大而硬度較小，在保證較強(qiáng)結(jié)合力的同時也符合物理相容性對界面硬度差異盡量小的要求。

3“變形協(xié)調(diào)”涂層設(shè)計

在鍍膜過程中，由于涂層和基體熱膨脹系數(shù)的不同，涂層會受到應(yīng)力，這種應(yīng)力狀態(tài)可能會在涂層中造成缺陷并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成裂紋，嚴(yán)重影響涂層使用性能。在使用過程中，涂層熱膨脹系數(shù)大于基體熱膨脹系數(shù)時，涂層受壓應(yīng)力；涂層熱膨脹系數(shù)小于基體熱膨脹系數(shù)時，涂層受拉應(yīng)力。由于涂層是陶瓷材料，所以其抵抗拉應(yīng)力的能力很差，但抵抗壓應(yīng)力的能力卻很強(qiáng)。因此，熱鍛模具需要根據(jù)基體材料設(shè)計有“變形協(xié)調(diào)”能力的PVD涂層，并形成涂層熱膨脹系數(shù)梯度分布的結(jié)構(gòu)，起到對熱膨脹系數(shù)過渡的作用，有利于減緩熱疲勞引起的裂紋。

二、PVD涂層制備工藝

1前處理工藝

首先對模具表面進(jìn)行噴砂處理，去除表面油污及鈍化層；利用磨粒拋光機(jī)對模具進(jìn)行研磨拋光10min；選用自動超聲波清洗線清洗模具，烘干后待用。將上述處理的熱鍛模具放在氮化爐內(nèi)(圖4)，關(guān)上爐罩；通入冷卻水，打開抽真空系統(tǒng)，打開蝶閥，抽真空至60Pa后，打開高壓，設(shè)定高壓值為650V，逐步增加占空比至爐內(nèi)產(chǎn)生輝光；占空比增加至70%后，緩慢通入氫氣和氬氣，同時開啟輔助加熱熱源，加熱基體至480～500℃，保溫1～3h后開始充入氮氣至真空度為300～500Pa，電壓設(shè)定為650～800V，氮化時間為8～12h，圖5為離子氮化保溫階段爐內(nèi)情況。

2涂層制備工藝

PVD涂層在鍍膜爐中完成。真空條件下，采用電弧放電技術(shù)電離靶材，在電場加速作用下，被電離物質(zhì)及其反應(yīng)產(chǎn)物沉積在工件表面，形成一層耐高溫、抗磨損的硬質(zhì)涂層，此硬質(zhì)涂層由多種金屬的氮化物交叉復(fù)合形成。以制備Cr/CrN/CrAlSiN梯度納米多層涂層為例，將氮化后的模具裝夾在鍍膜室內(nèi)(圖6)，關(guān)上鍍膜室；打開抽真空系統(tǒng)，抽真空至5×10-2Pa后打開輔助加熱熱源，將基體預(yù)熱至450～480℃后，保溫30～60min；待爐腔真空達(dá)到5×10-3Pa后充入氫氣和氬氣，調(diào)節(jié)氫氣和氬氣流量，保持鍍膜室內(nèi)真空度為0.6～0.8Pa；開啟Ti靶電弧電源，設(shè)置電流為135A，基體負(fù)偏壓由-30V逐漸增加至-200V，對氮化后的熱鍛模具進(jìn)行氣體離子刻蝕，刻蝕時間為2h。刻蝕完成以后，調(diào)節(jié)光柵角度，調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量將真空保持至2Pa，打開Cr靶電弧電源，設(shè)置電流為100A，偏壓-200V，持續(xù)10min，在模具表面制備得到Cr金屬層；然后將偏壓調(diào)節(jié)至100V，開啟CrAlSi靶弧源電源，電流為100A，通過控制Cr靶與CrAlSi靶交替起弧，實現(xiàn)交替沉積CrN/CrAlSiN納米多層涂層，持續(xù)30min；隨后通過控制反應(yīng)氣體分壓，在CrN/CrAlN納米多層涂層表面沉積成分連續(xù)變化的CrN/CrAlSiN納米多層梯度涂層，具體指的是在CrN/CrAlSiN納米多層梯度涂層中，CrN和CrAlSiN兩種氮化物中氮元素含量連續(xù)增加，保持120min；最后關(guān)閉氬氣，調(diào)節(jié)氮氣分量至鍍膜室氣壓為2Pa，制備納米復(fù)合CrN/CrAlSiN功能層，沉積時間為30min，最終形成Cr/CrN/CrAlSiN梯度納米多層涂層。圖7為鍍有Cr/CrN/CrAlSiN梯度納米多層涂層的高速線材軋制輥環(huán)模具，相比未鍍涂層模具，壽命明顯提高。

三、結(jié)束語

熱鍛模具因服役工況苛刻，僅靠基體化學(xué)成分及組織結(jié)構(gòu)的調(diào)控，難以滿足熱強(qiáng)性、紅硬性、韌性及抗熱疲勞性能等眾多要求，且隨之而來的問題是企業(yè)成本增加，效率降低，浪費特鋼資源、污染環(huán)境。經(jīng)過涂層處理的鋼質(zhì)活塞鍛造模具、T形不銹鋼螺栓鍛造模具、連桿鍛造模具、曲軸鍛造模具等，均有良好的使用效果，此技術(shù)也在實現(xiàn)高效清潔制造的同時，大幅度提高模具壽命，展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

作者:趙中里 單位:北京化工大學(xué)