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PVD涂层在车用高强钢热挤压凹模内壁上的应用

2018/10/10 | 来自: admin

享有中国“汽车城”之称的—中国第一汽车集团公司,2016年,一汽生产整车317.5万辆,同比增长12.3%,累计终端销售314.8万辆,同比增长11%

随着汽车年产量的增加,作为汽车发动机主要传动部件的连杆产量也随之增加,连杆属于长轴类精密锻件,其作用是把活塞与曲轴联接起来,使活塞的往复直线运动变为曲柄的回转运动,以输出动力。

在如此巨大的需求量下,对模具的使用寿命和工件的成型率都提出了更高的要求。按照磨损机理,磨损包括磨粒磨损、粘着磨损、疲劳(含冷热疲劳和机械疲劳)磨损、氧化(腐蚀或化学)磨损。研究锻模的失效是要找到失效的根本原因,在使用过程中却发现以下问题:


1)磨蚀

在模锻加载过程中,模膛表面与热坯料的热传导加剧、金属流动与模膛表面摩擦产生巨大的热效应,在二者的共同作用下,会引起很高的瞬时温升,产生氧化反应。氧化反应所形成的氧化膜在锻造载荷和金属流动冲刷作用下会剥落,成为磨粒。如果模膛表面的瞬时温升使模具材料软化或熔融时,沿模膛表面流动的金属就会将模具的已软化或熔融部位冲刷起皱、加速腐蚀,形成凹坑。

模具在正常使用情况下,在高温、高压条件下的模膛表面,由于氧化皮、润滑剂中的硬质颗粒及其他固体颗粒等随金属流动的冲刷以及环境介质的腐蚀,引起模具表面机械磨损、氧化、腐蚀和熔融,这些统称为磨蚀。磨蚀大多以较缓慢的速度进行,其主要特征是外圆角和棱角半径增大、平面下凹或出现凹坑、表面沟痕、剥落和粘模等。

2)粘着

当锻造润滑不充分时,工件和模具的相对滑动表面在摩擦力的作用下,氧化膜破裂,新鲜金属表面裸露出来,在分子力的作用下,两个表面发生焊合。若变形莲荷不能克服焊点的结合力,工件将粘附在模具上;若变形载荷能够克服焊点的结合力,工件将被撕裂,部分工件金属粘附在模具上。按照磨损机理,粘着是磨损的一种形式。

3)机械疲劳裂纹

机械疲劳裂纹及其形貌:锻模在长期连续使用过程中,由于脉冲负荷的作用,在应力最高的薄弱部位逐渐疲劳,萌生微裂纹。微裂纹进一步扩展成为机械疲劳裂纹,继续使用该模具,裂纹变得越来越大,最后模具突然断裂破坏。

4)塑性变形

模具在生产过程中承受有大的不均匀应用,当模具的某个部位的应用超过当时温度下模具材料的屈服强度时,则发生塑性变形,从而改变模具的几何形状或尺寸,造成模具失效。

    在现实生产中,通过一汽锻造有限公司工装夹具部刘继红部长的介绍,我们了解到,热锻模具加工频度为60/分钟,使用寿命仅有4000次,是生产过程中最大的损耗品。如果能延长锻造模具的服役周期,将为企业降低二次维护的成本并提高生产效率。

为了更好地推进省内汽车产业的发展,力科研发团队共同参加了在一汽锻造有限公司开展的关于《如何提高锻造模具的使用寿命和生产效率》的技术交流研讨会。


与会中,通过一汽锻造有限公司工装夹具部部长的介绍,我们了解到,热锻模具加工频度为60/分钟,使用寿命仅有4000次,是生产过程中最大的损耗品。如果能延长锻造模具的服役周期,将为企业降低二次维护的成本并提高生产效率。

针对一汽锻造的生产难题,公司联合课题组立即对PVD的现有工艺进行研发。课题组研制开发一种真空电弧的新型AlTiCr(Y)N稀土五组元耐高温耐磨涂层。在生产检验中发现,凹模热挤压高强钢件10000次后,内壁上仍没有出现粘着磨损现象,只出现很浅的轻微擦伤,成形的高强钢件仍符合质量要求。可见,AlTiCr(Y)N涂层,有极强的抗氧化性和耐高温性。


通过现场调研,我们得知汽车高强钢热挤压成形,需要把钢材加热到1200℃左右,采用凸模和凹模配合使用,将之挤压成特定形状。在挤压过程中,凸模冲压钢材使之变形并从凹模内部穿过,同时喷水强制冷却,工作频率超过1/秒。生产中发现,凸模虽受力较大,但冷却较好,渗氮处理后寿命可达4000件以上,失效模式以热疲劳为主;而凹模处于整套系统的内部,冷却条件不好,高强钢件在此处仍能达到800℃以上,渗氮后凹模使用寿命仅有凸模的1/4,其损伤模式以粘着磨损和划伤为主。针对该类型模具,提高凹模内壁的耐磨损寿命,使得凹模凸模寿命相当,对于提高生产效率、降低生产成本尤其重要。

分析凹模内壁损伤失效模式可知,高强钢材穿过凹模的时候,温度高,钢件和模具内壁表面都较软,在高压应力作用下易发生粘着,造成粘着磨损;同时,钢件相对于模具表面有剧烈的金属流动,这种金属流动的切应力和压缩应力的合力把模具表面切成小沟槽,如凹模内壁被氧化时,已软化的部位还会被速流动的金属“冲刷”出大沟槽,形成划伤。凹模内壁的这两种损伤形式要求其表面需要耐粘着、抗氧化、高硬度等综合性能。

 新涂层AlTiCr(Y)N的核心点在于涂层与基体表面需要耐粘着、抗氧化、高硬度等综合性能。表面涂层其使用温度可达到1050℃;涂层维氏硬度可达到Hv3000以上。并表现出较好的红硬性和高温稳定性,在H13材料未涂层1000℃下氧化10h增重为73mg/cm2,TiAlN薄膜1000℃下氧化10h增重为9.03mg/cm2 AlTiCr(Y)N薄膜1000℃下氧化10h增重为0.84mg/cm2;涂层凹模的使用寿命是普通未涂层凹模使用寿命的4倍以上。