【摘 要】
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锻造过程中,周期性的冷热载荷和机械载荷会使锻模表层出现过度磨损、开裂等非正常失效现象,不仅会增加企业生产成本、降低企业生产效率,还可能会威胁到员工的人身安全。本文以提高热锻模具寿命为目标,通过对钢质预锻活塞裙模具进行失效分析,确定了影响模具寿命的主要因素;基于“变形协调”及“膜-基一体化”理论,设计ZrTiN/TiAl N纳米多层梯度涂层,系统研究了弧源电流与基体偏压对所制备涂层性能的影响,通过分
【基金项目】
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安徽省面上攻关项目“面向微纳结构模具的表面工程可控制备技术研究及工程化应用”（项目号:202004a05020024）； 安徽省关键核心技术攻关“适应自动化锻造的高寿命活塞模具技术研究”（项目号:JB20067）；
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锻造过程中,周期性的冷热载荷和机械载荷会使锻模表层出现过度磨损、开裂等非正常失效现象,不仅会增加企业生产成本、降低企业生产效率,还可能会威胁到员工的人身安全。本文以提高热锻模具寿命为目标,通过对钢质预锻活塞裙模具进行失效分析,确定了影响模具寿命的主要因素;基于“变形协调”及“膜-基一体化”理论,设计ZrTiN/TiAl N纳米多层梯度涂层,系统研究了弧源电流与基体偏压对所制备涂层性能的影响,通过分析涂层的微观组织、形貌、摩擦系数、硬度及附着强度等性能指标,确定了涂层最佳制备工艺参数;通过热疲劳实验,研究涂层表面裂纹形成、扩展及破坏的热失效机理,优化了涂层的制备参数及后处理工艺;最终在生产中验证了表面强化技术的有效性及经济适用性。具体研究结论如下:（1）预锻活塞裙模具的主要失效形式为磨损和裙部开裂,分别占失效总数的35%和50%;模具磨损是磨粒磨损、黏着磨损、氧化腐蚀磨损及冷热疲劳磨损等多种磨损形式耦合的结果;模具裙部开裂是由于高温高压工作环境导致模具表层合金元素重新分布,致使模具材料丧失了原有了强度和硬度,形成裂纹萌生源;（2）ZrTi靶弧源电流160 A时所制备涂层表面缺陷最少;随着ZrTi靶弧源电流增加,涂层沉积速率呈现出先增加后降低的趋势,弧源电流180 A时沉积速率达到最大值;涂层的相组成主要为TiN（111）、TiN（200）、ZrN（222）,主要以面心立方结构为主;涂层硬度在ZrTi靶弧源电流170A时达到最大值2700 HV,膜基附着强度呈现出不断下降趋势;（3）随着基体偏压增加,涂层表面大颗粒数目和尺寸均呈现降低趋势,涂层硬度不断增加,膜基附着强度呈现出先增加后降低的趋势,基体偏压-100 V时为膜基附着强度最优值。（4）热疲劳实验后,ZrTiN/TiAl N纳米梯度多层涂层表面的大颗粒会被氧化并发生剥离,形成裂纹源。循环应力和表面氧化物的生成与剥落是ZrTiN/TiAl N纳米梯度多层涂层热疲劳裂纹萌生与扩展的主要机理。（5）经实际生产验证,“离子氮化+ZrTiN/TiAl N纳米梯度多层涂层”复合处理技术可提高热锻活塞裙模具寿命2倍以上,使用效果良好。
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