模具零件表面涂層技術的研究
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2024-06-15 09:06:56
模具零件表面涂層技術是利用物理或化學方法，在模具零件表面通過熔覆、噴涂、沉積等工藝方法，涂覆一層與模具基體不同的薄膜，通過與模具基體的結合，提高模具零件表面性能，如硬度、耐磨、耐蝕、抗高溫氧化等，保證模具零件的服役穩定性，并延長其使用壽命。表面涂層技術的發展路徑可以分為兩段：一是以傳統的表面涂層技術為代表，主要包括電鍍、化學鍍和熱擴滲等；二是現代表面技術階段，以等離子體、激光、納米顆粒的應用為代表。現階段表面涂層技術在向著梯度化涂層結構設計和復合技術應用的方向發展，工業生產中常用的表面涂層技術有熱噴涂、電鍍與化學鍍、化學和物理氣相沉積、激光熔覆等，這些表面處理方式都有其固有的技術特征，在實際應用中要根據模具的使用要求和使用條件進行選擇。熱噴涂技術是利用電弧、激光束、等離子體等高溫熱源將噴涂材料加熱至液態或軟化，再通過高速噴射將噴涂材料霧化成微顆粒并沉積到預先處理好的基體表面形成涂層的一種強化方法。熱噴涂材料具有涵蓋全部固體工程材料（金屬、合金、陶瓷、塑料以及它們的復合物等）、基體受熱影響較小、操作簡便、區域靈活等特點。工業生產中常用的熱噴涂技術是將金屬基防滑耐磨涂層沉積在模具零件表面，提高模具零件在耐磨及耐蝕等方面的性能，以此改善模具的使用壽命和服役穩定性。研究人員通過涂層耐磨性試驗測試對比發現，采用電弧噴涂的FTC-FeCSiMn涂層使模具零件表面的耐磨性提高了10倍，而采用超音速火焰噴涂的超細WC-12Co涂層使模具零件表面的耐磨性相較電弧噴涂的FTC-FeCSiMn涂層又提升了1倍，經工藝優化后，顯微硬度達到1 547 HV0.1，熱噴涂工藝的進步對改善涂層質量具有較大的優勢，并延長了模具的使用壽命。馬憲圖等使用等離子噴涂技術在4Cr5MoSiV1熱作模具鋼基體表面制備WC10Co4Cr耐磨涂層。涂層主要由WC顆粒形成的骨架結構組成，骨架間的空隙可以儲存潤滑劑，有助于增強潤滑效果，涂層中含有少量W、Co、Cr顆粒和W2C相。涂層中元素分布均勻，無明顯的聚集，涂層和基體間結合緊密，達到了冶金結合。磨損機理主要是磨粒磨損，同時還伴有一定程度的粘著磨損，WC10Co4Cr涂層最大摩擦系數為0.47，經過磨耗試驗，磨耗較少，可降低磨損量，延長模具使用壽命。由于鋁熔體的強腐蝕性以及鑄造過程中熱擴散和高機械負荷，為了改善鑄造模具服役穩定性和使用壽命，采用燒結鑲嵌的高鎢偽合金，提升模具零件的強度、耐蝕性與耐高溫氧化性，可延長鑄造模具壽命1 000倍。為了控制制造成本，使用等離子轉移弧堆焊(PTA)制備致密鍍層代替高鎢偽合金燒結鑲嵌，會造成模具基體高熱量輸入。研究結果表明，顯微結構和致密度滿足要求的涂層可以通過改變噴涂參數制備，為了減少鑄造模具零件變形，需要降低基體熱量輸入。通過使用高能量密度的熱源，控制噴涂時間，提高噴涂速度，能有效減少熱量輸入對基體性能的影響，同時可以改善熔融結合區的性能，涂覆制備致密、高結合力的涂層。如激光噴涂和等離子體噴涂，可用來制備鑄造模具零件的涂層。在未來，熱噴涂技術會向著不斷改善沉積效率，并提高涂層結合力與致密度的方向發展，同時對沉積過程參數的精密控制必將是智能化的發展趨勢[17]。化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）技術是通過利用涂層內化學元素的化合物或單質，控制其在基體表面進行反應并沉積，生成固態沉積物。上世紀Metallgesell-Schaft公司首先將TiC涂層沉積在鋼基體上進行表面強化，CVD沉積技術的應用也于上世紀在硬質合金上獲得成功，國內是上世紀70年代開始研究，現已應用于工模具、機械零件，效果顯著。該技術在模具領域的應用，主要集中在TiN系、TiC系、金剛石和類金剛石等硬質涂層，能夠改善模具零件的硬度、耐磨性、耐蝕性。崔玉明等通過化學氣相沉積的方法使用直流電弧等離子炬在模具零件表面制備金剛石涂層，經檢測在1 470 N載荷下，金剛石薄膜結合力測試區域沒有發生開裂和涂層剝落現象，在改進金剛石涂層沉積效率的同時保證了與硬質合金基體之間的附著性，在保證涂層性能的基礎上提升了與模具基體的結合力，保證了涂層的使用壽命和服役穩定性。采用CVD工藝制備模具零件表面涂層的較難工藝問題就是膜基結合力不足和表面粗糙度難控制，解決這2個問題是使這一先進表面涂層技術得以在模具零件制造中廣泛推廣應用的關鍵。物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）技術是使靶材在真空條件下離化成氣態原子或分子或電離成離子態，利用低壓氣體（或等離子體）運輸遷移，將具有某種特殊功能的靶材原子、分子或離子反應沉積在基體表面的技術。這種技術廣泛用于沉積硬質薄膜，以延長其使用壽命、減少摩擦磨損、提高硬度、改善熱性能、抗氧化性、耐蝕性和自潤滑性。相對CVD工藝，PVD工藝不需要在高溫下進行，有效地解決了涂層和基體中產生高的熱應力的弊端，同時通過加強等離子體電離、減少暗區（沒有沉積到反應器中的區域）、改進靶材使用、提高原子轟擊效率，甚至提高沉積速率和優化氣體選擇等方法來優化PVD技術，使其發展為具有廣闊應用前景的現代表面涂層技術。使用物理氣相沉積技術在模具零件工作表面上沉積硬質涂層，提高了零部件的強度、硬度、耐磨性、抗腐蝕性，同時依靠PVD硬質涂層良好的附著力，保證了模具的服役穩定性，延長了模具的使用壽命。在有色金屬壓鑄領域，壓鑄模的使用壽命對鑄造企業的成本效益和質量標準有重要的影響。模具零件表面暴露的主要應力是熱沖擊、磨損以及模具中液態鋁和鐵之間的化學反應，模具零件的筋條和靠近澆口的部分會承受高的應力，由于熔體的高速流動，這些部位易發生磨損。通過使用CrN基PVD涂層，模具使用壽命顯著延長。N BAGCIVAN等使用反應脈沖直流磁控濺射技術，通過類似三角形的靶位布置，降低了薄膜沉積的成本。使用Cr1-xAlxN(0.21≤ x≤ 0.74)作為涂層材料，沉積的薄膜具有優異的摩擦學性能，其中摩擦系數為0.4，磨損系數為1.8×10-16 m3（Nm）-1，同時獲得的最大硬度為25.2 GPa，該結果證明這項技術在工業領域具有較大的發展潛力。PVD技術在X40CrMoV5-1熱作工具鋼表面強化中應用廣泛，通過在基體上沉積超硬、耐磨性強的CrAlSiN和CrN涂層能夠提高模具服役穩定性，改善使用壽命，其中沉積CrN涂層的模具零件測試磨損量最低。擠壓模由于工況惡劣和承受多次沖擊載荷，導致服役穩定性差、預期壽命短，常見的失效形式有脹裂、拉傷、磨損等。通過PVD技術將TiN、CrN、TiAlN硬質涂層分別沉積在模具零件表面，模具零件表面硬度、耐磨性得到改善，使用壽命延長了3~5倍。其中沉積TiAlN涂層的擠壓模使用效果最為理想，涂層包覆后的鑲件擠出的包邊表面質量較高，摩擦學性能優異。鋼材拉拔模的磨損機理主要包括粘著磨損和磨粒磨損，由于循環往復的接觸和載荷波動，表面失效隨時可能發生。MARIA NILSSON等采用氣相沉積涂層，將其應用于鋼材拉拔模中，以取代硬質合金，試驗在軸承鋼基體上分別使用CVD技術制備TiC涂層和PVD技術制備（Ti,Al）N、CrN、CrC/C涂層。經過磨損試驗對比得到使用PVD技術制備的CrC/C涂層的耐磨損性能最優，可有效改善模具零件表面耐磨性能，提高服役穩定性和延長使用壽命。通過不斷改善涂層材料，持續提升沉積效率，加強工藝控制，利用物理氣相沉積（PVD）技術制備的應用于模具領域的硬質合金膜擁有廣闊的市場應用前景和發展空間。電鍍鉻、鎘等是模具零件表面涂層技術中的傳統技術，利用電解池原理在模具零件工作面上沉積與基體不同的材料，具有優良性能的薄層金屬或合金。電鍍操作方便，工藝要求簡單，工作溫度低，模具零件受熱變形影響小，基體的性能不受影響，鍍層的硬度高，摩擦系數低，模具零件的強度、耐磨性和抗氧化性得到改善，并延長了模具使用壽命及提高了服役穩定性。但是鍍層的孔隙率大，同時由于電鍍的尖端效應，對于形狀復雜的模具零件易產生毛刺、凹凸尖點等缺陷，影響模具零件的表面粗糙度和抗腐蝕能力[36]。熱作模具應用的電刷鍍技術具有沉積效率高，工藝操作便捷，繞鍍性好，不受模具形態的限制，可使模具服役期提高50%~100%，主要原因是涂刷層具有良好的紅硬性、耐磨性及抗氧化性。科研人員采用復合電刷鍍層工藝，使用鎳、鈷和二氧化鋯復合電刷鍍層工藝，鍍層表面致密，使鍍層與基體結合力提高，表面經打磨后可達鏡面。不僅硬度高，而且耐磨性提高，延長模具使用壽命達20%~100%。隨著化學鍍工藝的改進和發展，不同的化學鍍工藝及其鍍液技術發展迅速，如多元復合鍍以及納米顆粒和稀土摻雜鍍鎳，此外雙鍍層技術和旨在提高鍍層效率的輔助技術也在不斷發展，一些性能更優、效果更好的新技術也不斷產生并運用于實踐中。化學鍍鎳由于其易加工性，是制造光學模具的最佳材料之一，具有合適的硬度和耐用性，優越的耐腐蝕性、耐磨性，硬度、可焊性、磁性和沉積均勻性，可在非球面形狀下拋光至0.3 nm均方根粗糙度（RMS）以下。如閻康平在Ni-P鍍液中加入一定量的高分子材料聚四氟乙烯（PTFE）微粒，在Ni-P鍍層中PTFE顆粒分散分布，沉積于模具零件表面，由于PTFE微粒具有化學穩定性好、摩擦系數低（0.05）的特點，能夠有效提高模具零件表面的硬度、耐磨性及抗腐蝕能力，對于模具零件性能具有良好的強化效果。此外在G STRAFFELINI等的研究中，研究了幾種含有SiC和PTFE的化學鍍Ni-P復合鍍層的摩擦磨損性能，甚至還產生了由內部Ni-P-SiC層和外部Ni-P-PTFE層組成的沉積物。通過對AISI M2鋼進行摩擦磨損試驗，發現Ni-P-SiC-PTFE鍍層的滑動性能優于Ni-P鍍層，但比Ni-P-PTFE共鍍層的耐磨性差，在高負荷測試下，Ni-P-SiC-PTFE鍍層呈現比Ni-P-PTFE和Ni-P-SiC鍍層具有更好的抗摩擦磨損性能。隨著對傳統金屬加工工序產生的有毒廢物的日益關注，用“清潔”技術取代“臟”電鍍工藝（特別是鉻和鎘）這一趨勢得到了較大的推動。較多企業考慮使用減少污染的電鍍，甚至放棄鍍液技術，采用物理氣相沉積、化學氣相沉積和激光熔覆等新型涂層技術實現綠色環保的發展理念。激光熔覆技術（laser cladding）是通過使用高功率激光束將熔覆材料與基體材料表層一起熔化凝固，形成熔融材料與基體材料表面達到冶金結合的涂層技術[44]。激光熔覆技術有以下特點：①結合力強，熱影響區小；②組織細化無孔隙，力學性能優異；③沉積材料多樣，可根據涂層性能需求選擇；④加工區域靈活，工藝可控性好。SOTIROPOULOUD指出激光熔覆試樣的顯微組織由外到內有3種不同的結構區域，分別是熔覆區、熱影響區和基體。通過熔融原子或分子間的熱擴散交互作用，熔覆層與基體之間緊密結合，形成熔融結合層，由于激光熔覆的高能量輸入，低孔隙率，高結合力，有效地提升熔覆層與基體的抗載荷能力，提高了材料的綜合性能。激光熔覆金屬主要用于涂層強化和修復各種零部件的表面，以提高耐磨性、耐腐蝕性和抗氧化性，CUI C Y討論了使用連續波CO2激光器（功率1.7 kW，掃描速度5 mm/s，光束直徑φ4 mm），以14 g/min的送粉速度，在模具鋼上激光熔覆沉積鈷基合金涂層。對表面改性的分析表明：該工藝可產生具有良好微觀結構和較高顯微硬度的薄表面層（平均測量值為588 HV0.2，未涂覆基體的平均測量值為283 HV0.2）。C P PAUL等[48]使用脈沖Nd:YAG激光器（功率1 kW，光束直徑φ1.5 mm，掃描速度1~10 mm/s），以3~8 g/min的送粉速度，在低碳鋼基體上利用動態激光熔覆技術沉積多層WC-12 wt.%Co合金，沉積的WC-Co合金涂層致密性好，無裂紋缺陷，具有良好的膜基結合力，測量WC-Co合金鍍層與基體的結合強度約為60 MPa。涂覆層表面的顯微硬度平均約為1 350 HV0.2，而基體表面的顯微硬度為200 HV0.2。研究結果表明，復合表面強化處理不是簡單的單一疊加過程，而是要在多種工藝技術復合處理的過程中達到1+1>2的效果，通過2種或2種以上工藝技術的組合達到取長補短的復合性能和效果。A S KORHNEN等通過等離子體氮化再進行物理氣相沉積的工藝組合，發展一種全新的滲鍍復合處理（PN/PVD）技術，2種表面強化技術的互補彌補了單一表面強化技術的部分性能缺點。通過基體、滲氮層、金屬層、過渡層、鍍層的有機結合，發揮各層的性能特點優勢，滲氮層提高基體硬度的同時可以起到支撐降低膜層與基體之間硬度梯度的作用，使膜層承載能力得到改善，減少了因載荷過大導致膜層脫落失效的風險。這種更平滑的硬度梯度變化，使涂層受力在外載荷作用時減小，應力在界面上分布更均勻。這也使其比單純的PVD涂層具有更強的承載能力，適用于磨擦磨損條件更苛刻的工作環境，服役周期延長。SHI W等通過對比在Cr12MoV模具鋼表面磁控濺射沉積Ti/TiN涂層和低溫離子滲碳后再PVD沉積Ti/TiN薄膜復合處理工藝，模具零件表面的強度和硬度得到增強，且滲碳后鍍膜性能更好。楊九州等首先采用離子滲氮技術結合多弧離子鍍強化40Cr鋼基體，在基體表面沉積硬質CrN涂層，使基體、滲氮層、CrN涂層形成硬度梯度，不僅增強了多弧離子鍍CrN涂層的耐磨性，同時降低了涂層脫落失效的風險。張海洲等通過復合PVD 涂層模面處理工藝驗證，解決薄板沖壓生產中的拉傷缺陷，縮短了模具裝配時間和調試周期及降低了制造成本。滲鍍復合處理方法在一定程度上解決了單一工藝的不足，使復合處理層硬度更高、耐磨性更強、承載力更強。輥式壓花由于其快速、連續的批量生產過程，近年來受到越來越多的關注。曲面上的微觀結構對軋輥的制造是一個挑戰，HUANG T G等提出了一種利用新型階梯旋轉光刻和化學鍍鎳技術在輥模表面制備微結構的方法，在金屬軋輥上制備平均高度為1.1 μm、寬度為23、45 μm的微槽軋輥微結構。復合涂層技術在涂層精細化方向和提供膜層功能性上仍然有廣闊的發展空間，多種涂層技術的有機組合具有一定的發展潛力與可能性。在傳統涂層材料中添加納米顆粒，利用零維或一維納米粉體材料的特性，通過氣相沉積、噴涂、電鍍或化學鍍等制造工藝，可以制備納米復合鍍層[54]。R SCHWETZKE等在熱噴涂制備納米WC/12Co和WC/15Co涂層過程中，過飽和Co(W、C)基體在粒子沖擊下的快速凝固導致形成非晶或納米晶相，納米顆粒彌散分布于非晶態富鉆相中形成堅硬耐磨的W2C，涂層顯微硬度明顯增大，涂層的強度、耐磨、韌性、耐蝕、熱障、抗熱疲勞等性能顯著提高。A NIEDERHOFER等采用物理氣相沉積技術鍍覆TiN系納米涂層，利用納米材料的超細化達到晶粒細化和晶界強化的目的，通過薄膜制備過程中摻雜微量的Si，使涂層中產生納米級的晶粒細化，使沉積涂層具有更加優異的性能，硬度高、耐磨性好，已經廣泛應用在模具零件表面。研究表明，在傳統電刷鍍基礎上發展的納米復合電刷鍍技術，將納米硬質顆粒應用到電刷鍍工藝中，由于超細化的納米材料，使鍍層可以擁有獨一無二的性能，可以具有比傳統材料更加優異的強度和硬度，提高產品的表面性能。將納米材料應用于模具型腔表面處理可有效提升涂層的厚度，提高硬度、耐磨性、耐蝕性、抗疲勞能力，保證模具全周期服役的穩定性，延長模具使用壽命。S136模具鋼具有優良的耐腐蝕性能，在模具行業應用廣泛，為了滿足日益變得復雜的結構和高質量的注射制品的需求，選擇性激光熔化（SLM）作為一種新型的制造方法被用于快速制造復雜幾何形狀的零件。同時為了使其硬度和耐磨性更高，使模具壽命更長，科研人員研究發現通過SLM在TiB2/S136復合材料中形成穩定的納米尺度微觀結構將有助于提高此類材料的硬度和磨損性能，確定在S136中添加含量為0.5wt%的TiB2納米顆粒時，復合材料性能最佳，并具有相當低的磨損率，因為此時TiB2/S136復合材料顯示最細的晶粒，分散的TiB2納米顆粒以高度均勻的方式相互結合，形成精細、連續和均勻分布的環形結構，其平均厚度為350 nm，結構由沿晶界的薄“金屬-陶瓷”界面組成，有助于晶粒細化和晶界強化。傳統模具表面涂層技術持續改進優化，不斷追求更加精細化的涂層，更加精密的過程控制，更加精益求精的性能。表面涂層技術向著復合涂層、納米涂層、自動化與智能化涂層的方向發展。
