鍛造模具PVD涂層設計及制備研究

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鍛造行業(yè)是我國制造業(yè)發(fā)展的基礎，在國民經濟發(fā)展過程中占據著重要地位，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到數十億元，與國外先進水平相比，節(jié)材的潛力很大。如何實現鍛造行業(yè)節(jié)材減材、清潔生產？空間有多大？著力點在哪？這是鍛造行業(yè)實現“碳達峰、碳中和”繞不過的問題。從近幾年的應用情況看，表面涂層技術是提高模具壽命的重要途徑。涂層模具兼具基體材料強度高、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、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，提高了模具質量和使用壽命，是助力鍛造行業(yè)實現低碳、清潔生產最具潛力的技術之一。但是，目前產業(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，出現氧化、裂紋及脫層等問題，導致涂層提前失效，因此，深入研究鍛造模具涂層技術具有重要意義。本文介紹了pvd涂層結構設計思路及制備工藝，以期獲得優(yōu)異的涂層整體力學性能，滿足涂層抗熱-力-機械循環(huán)作用的工況需求，為PVD涂層技術在熱鍛模具行業(yè)的應用奠定基礎。

一、涂層結構設計

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，再至現代的高熵多層復合涂層或高熵梯度復合涂層。依據目前物理氣相沉積技術的理論研究，涂層的結構可大致分為：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，但由于單層涂層內應力較大、脆性高、韌性低、抗氧化性能弱等原因，導致涂層使用過程中極易出現裂紋，限制了在熱鍛模具領域的應用及推廣。有研究學者根據強化原理，即晶體結構和彈性模量的差異導致位錯在界面處受阻從而形成強化，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、層間耦合效應等結構特性，可以改變表面微裂紋傳播擴展方向，延緩微裂紋縱向擴散深度和速度，因而表現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”設計

梯度化的結構設計方法已經在很多先進工程材料中得到運用，各組原材料在組成、結構、密度及功能等方面在材料內部呈梯度變化，從而獲得了單一結構材料無法比擬的優(yōu)點，有望改善涂層應力，提高結合力。涂層“梯度結構”設計包括成分梯度設計及硬度梯度設計，如圖3所示。通過設計涂層成分呈階梯形布置，將涂層的元素成分、物理化學性質和組成構造進行連續(xù)轉換，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力集中，減緩裂紋的萌生和擴展，提高涂層的綜合力學性能。另外，可合理制定涂層制備工藝，使涂層由內到外硬度逐漸增大，最內層結合力最大而硬度較小，在保證較強結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“變形協調”涂層設計

在鍍膜過程中，由于涂層和基體熱膨脹系數的不同，涂層會受到應力，這種應力狀態(tài)可能會在涂層中造成缺陷并進一步轉化成裂紋，嚴重影響涂層使用性能。在使用過程中，涂層熱膨脹系數大于基體熱膨脹系數時，涂層受壓應力；涂層熱膨脹系數小于基體熱膨脹系數時，涂層受拉應力。由于涂層是陶瓷材料，所以其抵抗拉應力的能力很差，但抵抗壓應力的能力卻很強。因此，熱鍛模具需要根據基體材料設計有“變形協調”能力的PVD涂層，并形成涂層熱膨脹系數梯度分布的結構，起到對熱膨脹系數過渡的作用，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

首先對模具表面進行噴砂處理，去除表面油污及鈍化層；利用磨粒拋光機對模具進行研磨拋光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(圖4)，關上爐罩；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，設定高壓值為650V，逐步增加占空比至爐內產生輝光；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，電壓設定為650～800V，氮化時間為8～12h，圖5為離子氮化保溫階段爐內情況。

2涂層制備工藝

PVD涂層在鍍膜爐中完成。真空條件下，采用電弧放電技術電離靶材，在電場加速作用下，被電離物質及其反應產物沉積在工件表面，形成一層耐高溫、抗磨損的硬質涂層，此硬質涂層由多種金屬的氮化物交叉復合形成。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(圖6)，關上鍍膜室；打開抽真空系統(tǒng)，抽真空至5×10-2Pa后打開輔助加熱熱源，將基體預熱至450～480℃后，保溫30～60min；待爐腔真空達到5×10-3Pa后充入氫氣和氬氣，調節(jié)氫氣和氬氣流量，保持鍍膜室內真空度為0.6～0.8Pa；開啟Ti靶電弧電源，設置電流為135A，基體負偏壓由-30V逐漸增加至-200V，對氮化后的熱鍛模具進行氣體離子刻蝕，刻蝕時間為2h?？涛g完成以后，調節(jié)光柵角度，調節(jié)反應氣體流量將真空保持至2Pa，打開Cr靶電弧電源，設置電流為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，實現交替沉積CrN/CrAlSiN納米多層涂層，持續(xù)30min；隨后通過控制反應氣體分壓，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；最后關閉氬氣，調節(jié)氮氣分量至鍍膜室氣壓為2Pa，制備納米復合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、結束語

熱鍛模具因服役工況苛刻，僅靠基體化學成分及組織結構的調控，難以滿足熱強性、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。經過涂層處理的鋼質活塞鍛造模具、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，此技術也在實現高效清潔制造的同時，大幅度提高模具壽命，展現出廣闊的應用前景，具有良好的經濟效益和社會效益。

作者:趙中里 單位:北京化工大學