粉末冶金螺旋伞齿模冲表面强化复合处理工艺及耐磨性研究

作     者：何玉龙 

作者单位：扬州大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵毅红;包四平

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：粉末冶金模具 表面强化 渗氮 CrAlTiN涂层 摩擦磨损 

摘      要：粉末冶金模具的质量和寿命直接影响粉末冶金零件的质量与寿命。模冲作为粉末冶金成形模具的重要组件,在压坯成型过程中直接挤压金属粉末,其头部的形状决定粉末冶金压坯端面的形状。由于模冲的表面质量存在组织偏析、硬度不均、局部齿顶出现材料剥落等现象,导致模冲磨损加剧而产生早期失效,严重影响生产效率的提高。采用间歇式真空气体渗氮和多弧离子镀复合处理技术,在氮化的模冲表面沉积CrAlTiN涂层,改善模冲表面的组织均匀性,提高表面硬度梯度和耐磨性,提高使用寿命和生产效率。本文在实验研究的基础上,对模冲表面CrAlTiN涂层的微结构、界面特征和耐磨性能进行分析研究,主要工作包括:（1）采用间歇式真空气体渗氮工艺,在上模冲表面制备渗氮层。渗氮层厚度为150μm,硬度从表面969 HV至基体525 HV呈梯度平缓递减,表面脆性等级为1级。渗层组织主要由γ’-Fe4N和CrN组成,经过渗氮预处理后的模冲抵抗塑性变形能力提高,为在模冲表面涂镀涂层提供有效支撑,降低涂层裂纹产生倾向;同时,经过渗氮处理后的材料表面形成的氮化物同涂层中的相组织具有相似的晶格结构及晶格常数,可以实现涂层的外延生长,提高膜基结合强度。（2）采用多弧离子镀技术在经过渗氮预处理的模冲表面沉积CrAlTiN涂层,研究工艺参数基体偏压、阴极弧电流和沉积气压对CrAlTiN涂层的组织结构、力学性能和摩擦磨损性能的影响规律,优选工艺参数。研究结果表明:基体偏压提高,涂层的表面质量、硬度和膜基结合强度随之提高,在基体偏压为-110 V～-130 V条件下涂层的平均粗糙度降低至108 nm;表面硬度提高至3021 HV0.025;膜基结合强度增大至72 N;在基体偏压改变的过程中,涂层表现出以CrN（111）晶面的择优取向;随着基体偏压的提高,涂层的耐磨性能得到提升,-90 V～-110 V条件下涂层磨损量最少,磨损率为4.6×10-6 mm3/N·m。涂层的表面质量随沉积气压的增大而提高,在沉积气压为3.6 Pa条件下涂层的平均粗糙度降低至170 nm;硬度随沉积气压的增大呈先上升后下降的趋势,在2.8 Pa条件下取得最大值为2971 HV0.025;沉积气压对涂层膜基结合强度和摩擦磨损性能影响较小,涂层膜基结合强度在64N～72 N之间变化,磨损率保持在4.5×10-6 mm3/N·m左右。随着阴极弧电流的增大,涂层平均粗糙度增大,沉积速率提高,在120 A条件下,涂层厚度达到3.5μm;涂层表面硬度呈先上升后下降的趋势,并在110 A条件下表现出最高的硬度为3160 HV0.025;涂层的磨损率随阴极弧电流的增大而增大,120 A条件下涂层的磨损率达到7×10-6 mm3/N·m。结合实验研究结果,CrAlTiN涂层的优选工艺参数基体偏压为-110 V～-130 V,沉积气压为2.8 Pa,弧电流为100A。（3）研究复合处理后上模冲的摩擦磨损性能,并结合粉末冶金零件螺旋伞齿的压坯压制,测试模具的使用寿命。CrAlTiN涂层的摩擦系数（2 N、4 N、6 N时分别为 0.59、0.57、0.53）低于模冲基体（2 N、4 N、6 N 时分别为 0.66、0.64、0.57）。测试结果表明:经过复合处理后的上模冲使用寿命约为20000次,是未处理模冲寿命的5倍,模具生产单个零件的消耗成本从0.098元/个下降至0.030元/个,降低了70%。