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乃是汽车零部件锻造企业的发展趋向, 在机器换人之后, 模具寿命成了制约生产效率的最为关键的因素。为了去应对竞争愈发激烈、劳动力成本持续攀升、一线操作人员极度匮乏等状况, 基于模具膜基一体化设计理念、变形协调理论、扩散磨损理论, 运用离子氮化加上高熵合金涂层渗镀复合强化技术, 使得热锻模具寿命成倍增长, 提升了自动化生产线的效率, 并达成企业效益的增多。
随着机器人技术日益成熟, 随着自动化控制技术日益成熟, 随着自动化生产线投资成本持续下降, 多机组手工锻造生产线愈发不被人们接受, 锻造企业正逐步朝着专业化方向发展, 正逐步朝着自动化方向发展。
制约锻造自动化生产线生产效率的主要因素里有锻模寿命低这一项 , 国际上先进的精密锻造模具设计以及加工核心技术 , 大多是被西方的一流企业所掌握 , 我国锻造行业虽说有了一定的发展基础 , 然而锻模平均寿命只是国外先进水平的三分之一至二分之一 , 技术封锁致使长寿命 、高精度锻造模具制造技术变为锻造行业自动化生产中的共性难题以及“卡脖子”问题。
提高模具的使用寿命, 其本质是延缓模具出现实效, 而延缓模具失效的前提条件是要清楚认识模具的失效形式。基于变形协调理论以及扩散磨损理论, 运用离子氮化加上高熵合金涂层渗镀这种复合强化技术, 它集合了抗扩散性能、硬度、韧性以及附着强度几方面并使其成为一体, 把钢质锻造活塞裙模具的单次锻打寿命从3000件提高到了8000件, 模具在延缓寿命方面具有特别明显的效果, 而长寿命低成本锻造模具技术得以实现, 这对于锻造自动化生产线生产效率的提升来说, 具有重大的意义。
模具延寿技术的必要性
模具寿命对锻件质量有影响, 对生产效率也有影响, 对成本同样有影响, 它集合了模具材料, 关联着结构设计, 涉及制造水平, 关乎使用, 还挂钩维护水平, 是一种综合反映。在现代工业生产里, 模具寿命这一问题愈发引起人们广泛的重视。
正常生产进程里, 模具费用通常在生产成本里占10%至25%, 自动化锻造生产线当中, 因人力成本支出减少, 模具所占比例会更大。要是因某道工序的模具失效而频繁去更换或者再制造模具, 正常的生产工序就会遭受严重干扰, 频繁换模致使自动化生产线利用率降低, 还让产品质量出现波动, 同时其成本也会大幅上升。长寿命锻造模具是达成自动化锻造的前提以及保证, 是削减单位锻件生产成本, 提升自动化生产线生产效率最直接且有效的办法。
模具延寿技术研究“扩散磨损”理论
一般所知的磨损形式主要涵盖磨粒磨损, 粘着磨损, 疲劳磨损以及腐蚀磨损, 需要指明的是, 热锻模具磨损是一个由热（温度）（力（摩擦力））（化学介质（润滑剂））等诸多因素长时间协同作用引发的非线性动力学问题, 是多种磨损机理耦合效应的产物。
鉴于热锻模具实际运用的工况情形以及失效的规律状况, 笔者觉得现有的、被认可的那些理论并没办法清晰地阐释热锻模具的摩擦磨损行为表现, 于是创新性地提出了热锻模具“扩散磨损”理论, 也就是在锻造进程当中, 模具的工作面跟坯料直接相接触, 并且承受着高的循环机械应力以及热应力, 这致使模具与坯料接触面彼此之间的化学元素获取到足够的能量, 进而发生相互扩散, 以此改变模具表层的化学成分, 使得模具材料的性能下降, 最终让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
提高模具使用性能并且降低单位锻件成本的有效手段是涂层技术。传统的硬质薄膜设计理念是以一种或者两种元素作为主要成分, 高熵合金涂层却突破了传统设计理念, 它是由5种以上主要元素构成的, 并且每种元素的原子分数处于5%～35%之间。此为全新高性能合金涂层, 其已展现于传统涂层之上的优异性能, 经工艺调整，表面硬度在2000至4000HV之间, 厚度维持于2至8μm。因体系选择、功能设计、工艺优化、机理等方面研究渐趋精深, 于耐磨性、耐蚀性、高温稳定性等方面均有着显著表现。
高熵合金涂层具备硬度相当之高、摩擦系数非常低、附着力极为强、化学性能特别稳定等诸多特点, 然而它有着不足之处, 针对相对较软的基体而言, 经涂层处理后的模具结构犹如“鸡蛋壳”一般, 在强大的冲击力施加作用之下会被迅速压溃, 就如同图1所展示的那样。基于“变形协调”理论, 依据模具膜基一体化设计思想, 在进行涂层处理之前, 运用模具表面化学热处理工艺, 也就是离子氮化, 以此提高模具表面的支撑力, 进而避免了“蛋壳效应”, 相当显著地提升了超硬涂层的表现, 如同图2所呈现的那般。
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, 基于高熵合金涂层的“缓慢扩散”效应, 基于其“高熵”效应, 基于其“晶格畸变”效应, 基于 其“鸡尾酒”效应, 基于变形协调理论, 将硬度、韧性、抗氧化性、附着强度、抗扩散性能集于一体, 采用梯度优化涂层制备工艺, 在离子氮化后的活塞裙模具, 也就是图3所示的模具表面, 制备了高熵合金涂层, 同样以此工艺在曲轴模具, 即图4所示的模具表面制备了高熵合金涂层, 又采用此工艺在该工艺在连杆模具, 也就是图5所示的模具表面制备了高熵合金涂层, 还采用此工艺在爪极模具, 即图6所示的模具表面也要制备了高熵合金涂层, 突破了表面工程技术应用于热锻模具的关键技术瓶颈, 其高熵合金涂层具有优异的抗扩散性能, 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
激光表面淬火是激光加工技术中的一种, 此外还有激光切割、激光焊接、激光熔覆等技术, 它们总称为激光加工技术, 激光加工技术具备独特优势, 它几乎不会破坏材料表面粗糙度, 而且不需要冷却介质, 这是传统加工技术没有办法相比的, 所以该项技术在近些年深受人们关注。
对工件而言, 激光表面淬火有着良好的均匀强化效果, 它在提升机械产品硬度、耐磨寿命等方面, 正发挥着愈发重要的作用, 能很好地处理耐磨性差、硬度低以及形状复杂零件的表面强化等问题。若是针对活塞裙模具开展激光表面淬火操作之后, 其使用寿命得以提升百分之三十；针对管子切割刀施行激光表面淬火, 刀刃硬度能达到六十三至六十五HRC, 切管更为稳定, 效率相较于之前提高了百分之三十；针对模具刃口进行激光表面淬火处理, 跟同等未作处理的模具刃口相比较, 硬度提高了三至四HRC, 使用寿命同样有所增长。另外, 激光表面淬火还被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
经对渗镀复合强化技术, 也就是离子氮化搭配PVD高熵合金涂层展开研究, 而后将此技术运用到锻造钢质活塞裙模具上, 在经过小批量验证之后, 单次模具寿命从3000件提升到了8000件, 换模次数显著降低, 设备利用率大幅提高, 达到了国内领先以及国际先进的水平。要是这项技术在热锻模具中能够进行大批量的推广应用, 那么每年将会节省至少10亿元的模具费用, 这对于推动锻造行业达成自动化、智能化以及高质量发展有着重大的意义。
结束语
跟着「中国制造〇二号五」策略的施行, 自动化、数字化、智能化是往后制造业公司发展的主要趋向。现今, 劳动力成本持续增添, 市场竞争日益强烈, 制造业晋级到了关头时辰, 要是公司没法达成高质量增进, 将会损失竞争力, 终极被市场裁减。这是基于扩散阻挡理论, 这是基于扩散磨损理论。这是基于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, 设计高熵合金多元多层涂层体系所用配方体系, 设计基体硬度变化梯度。研发出渗镀复合强化技术, 此技术会给国内相关锻造企业带来新的利润增长点, 此技术也会给国内相关加工企业带来新的利润增长点。
作者简介
赵中里
此人是高工, 是北京化工大学的硕导, 主要致力于材料加工工程以及模具表面强化技术方面的研究工作, 当下担任北京化工大学安庆研究院“工模具抗疲劳制造技术及装备研究中心”团队的负责人。
——文章选自：《锻造与冲压》2021年第19期
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