锻造模具PVD涂层设计及制备研究

锻造行业是我国制造业发展的基础，在国民经济发展过程中占据着重要地位，但作为耗能耗材大户，年耗用模具钢材超百万吨，因模具寿命不足所造成的材料、能源和工时损失与浪费达到数十亿元，与国外先进水平相比，节材的潜力很大。如何实现锻造行业节材减材、清洁生产？空间有多大？着力点在哪？这是锻造行业实现“碳达峰、碳中和”绕不过的问题。从近几年的应用情况看，表面涂层技术是提高模具寿命的重要途径。涂层模具兼具基体材料强度高、韧性好、良好热稳定性以及涂层材料高硬度、高耐磨性、低摩擦系数、良好抗高温氧化性等优点，有效克服了模具硬度与韧性不能很好匹配的问题，提高了模具质量和使用寿命，是助力锻造行业实现低碳、清洁生产最具潜力的技术之一。但是，目前产业化的热锻模具涂层在使用过程中，大都存在涂层性能随着工作温度的提高而迅速恶化，出现氧化、裂纹及脱层等问题，导致涂层提前失效，因此，深入研究锻造模具涂层技术具有重要意义。本文介绍了PVD涂层结构设计思路及制备工艺，以期获得优异的涂层整体力学性能，满足涂层抗热-力-机械循环作用的工况需求，为PVD涂层技术在热锻模具行业的应用奠定基础。

一、涂层结构设计

在涂层材料多元化发展的同时，新型涂层被不断研发出来，由初始的单一涂层发展至多层涂层、多元多层涂层，再至现代的高熵多层复合涂层或高熵梯度复合涂层。依据目前物理气相沉积技术的理论研究，涂层的结构可大致分为：单一涂层、多层涂层、纳米多层涂层、梯度涂层、纳米多层梯度涂层等。

1“纳米多层涂层”设计

单层涂层研究较为深入，工艺相对简单，目前多采用多弧离子镀和磁控溅射方法制备单层涂层，但由于单层涂层内应力较大、脆性高、韧性低、抗氧化性能弱等原因，导致涂层使用过程中极易出现裂纹，限制了在热锻模具领域的应用及推广。有研究学者根据强化原理，即晶体结构和弹性模量的差异导致位错在界面处受阻从而形成强化，制备了Cr/CrN纳米多层涂层，如图1所示。Cr/CrN纳米多层涂层集合两种相的性能优点，金属相用来吸收过度的塑性变形，而陶瓷相提供硬度和耐磨性，还具有界面效应、层间耦合效应等结构特性，可以改变表面微裂纹传播扩展方向，延缓微裂纹纵向扩散深度和速度，因而表现出比单层涂层更好的性能。笔者在热锻齿轮模具表面沉积Cr/CrN/CrAlTiN纳米多层涂层后，试验发现镀涂层模具比未镀涂层模具的寿命增加1倍。

2“梯度涂层”设计

梯度化的结构设计方法已经在很多先进工程材料中得到运用，各组原材料在组成、结构、密度及功能等方面在材料内部呈梯度变化，从而获得了单一结构材料无法比拟的优点，有望改善涂层应力，提高结合力。涂层“梯度结构”设计包括成分梯度设计及硬度梯度设计，如图3所示。通过设计涂层成分呈阶梯形布置，将涂层的元素成分、物理化学性质和组成构造进行连续转换，以减少涂层与基体或多层涂层间的突变界面，以便更有效地减少界面上的应力集中，减缓裂纹的萌生和扩展，提高涂层的综合力学性能。另外，可合理制定涂层制备工艺，使涂层由内到外硬度逐渐增大，最内层结合力最大而硬度较小，在保证较强结合力的同时也符合物理相容性对界面硬度差异尽量小的要求。

3“变形协调”涂层设计

在镀膜过程中，由于涂层和基体热膨胀系数的不同，涂层会受到应力，这种应力状态可能会在涂层中造成缺陷并进一步转化成裂纹，严重影响涂层使用性能。在使用过程中，涂层热膨胀系数大于基体热膨胀系数时，涂层受压应力；涂层热膨胀系数小于基体热膨胀系数时，涂层受拉应力。由于涂层是陶瓷材料，所以其抵抗拉应力的能力很差，但抵抗压应力的能力却很强。因此，热锻模具需要根据基体材料设计有“变形协调”能力的PVD涂层，并形成涂层热膨胀系数梯度分布的结构，起到对热膨胀系数过渡的作用，有利于减缓热疲劳引起的裂纹。

二、PVD涂层制备工艺

1前处理工艺

首先对模具表面进行喷砂处理，去除表面油污及钝化层；利用磨粒抛光机对模具进行研磨抛光10min；选用自动超声波清洗线清洗模具，烘干后待用。将上述处理的热锻模具放在氮化炉内(图4)，关上炉罩；通入冷却水，打开抽真空系统，打开蝶阀，抽真空至60Pa后，打开高压，设定高压值为650V，逐步增加占空比至炉内产生辉光；占空比增加至70%后，缓慢通入氢气和氩气，同时开启辅助加热热源，加热基体至480～500℃，保温1～3h后开始充入氮气至真空度为300～500Pa，电压设定为650～800V，氮化时间为8～12h，图5为离子氮化保温阶段炉内情况。

2涂层制备工艺

PVD涂层在镀膜炉中完成。真空条件下，采用电弧放电技术电离靶材，在电场加速作用下，被电离物质及其反应产物沉积在工件表面，形成一层耐高温、抗磨损的硬质涂层，此硬质涂层由多种金属的氮化物交叉复合形成。以制备Cr/CrN/CrAlSiN梯度纳米多层涂层为例，将氮化后的模具装夹在镀膜室内(图6)，关上镀膜室；打开抽真空系统，抽真空至5×10-2Pa后打开辅助加热热源，将基体预热至450～480℃后，保温30～60min；待炉腔真空达到5×10-3Pa后充入氢气和氩气，调节氢气和氩气流量，保持镀膜室内真空度为0.6～0.8Pa；开启Ti靶电弧电源，设置电流为135A，基体负偏压由-30V逐渐增加至-200V，对氮化后的热锻模具进行气体离子刻蚀，刻蚀时间为2h。刻蚀完成以后，调节光栅角度，调节反应气体流量将真空保持至2Pa，打开Cr靶电弧电源，设置电流为100A，偏压-200V，持续10min，在模具表面制备得到Cr金属层；然后将偏压调节至100V，开启CrAlSi靶弧源电源，电流为100A，通过控制Cr靶与CrAlSi靶交替起弧，实现交替沉积CrN/CrAlSiN纳米多层涂层，持续30min；随后通过控制反应气体分压，在CrN/CrAlN纳米多层涂层表面沉积成分连续变化的CrN/CrAlSiN纳米多层梯度涂层，具体指的是在CrN/CrAlSiN纳米多层梯度涂层中，CrN和CrAlSiN两种氮化物中氮元素含量连续增加，保持120min；最后关闭氩气，调节氮气分量至镀膜室气压为2Pa，制备纳米复合CrN/CrAlSiN功能层，沉积时间为30min，最终形成Cr/CrN/CrAlSiN梯度纳米多层涂层。图7为镀有Cr/CrN/CrAlSiN梯度纳米多层涂层的高速线材轧制辊环模具，相比未镀涂层模具，寿命明显提高。

三、结束语

热锻模具因服役工况苛刻，仅靠基体化学成分及组织结构的调控，难以满足热强性、红硬性、韧性及抗热疲劳性能等众多要求，且随之而来的问题是企业成本增加，效率降低，浪费特钢资源、污染环境。经过涂层处理的钢质活塞锻造模具、T形不锈钢螺栓锻造模具、连杆锻造模具、曲轴锻造模具等，均有良好的使用效果，此技术也在实现高效清洁制造的同时，大幅度提高模具寿命，展现出广阔的应用前景，具有良好的经济效益和社会效益。

作者:赵中里 单位:北京化工大学