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通过对锻模进行3D扫描分析进而对涂覆各种混合层的锻模的寿命进行比较
本文主要研究用于汽车前轮（齿轮）热锻工艺过程中使用的模具。并进行了5组提高模具寿命的实验：分别是在模具镶件上涂覆AlCrTiN、AlCrTiSiN和CRN的混杂层(PN PVD 型)、渗氮和焊接。通过对周期性采集的锻件进行3D扫描和材料分析，对模具磨损进行了分析和表征。另外，经过分析，被扫描的模具主要有两个磨损区域，接着又进行了显微组织检测和硬度检测。结果表明，在模具镶件的中心区域发生了热机械疲劳、磨损和塑性变形，而在桥部区域仅发生了磨损。在这些区域，材料的磨损是另行确定的。现已证明，在锻模上涂覆GN CrN的混合层或者GN AlCrTiN的混合层都可以提高其寿命。其中，涂覆GN CrN混合层的模具镶件，其中心区域抵抗热机械疲劳的效果是最好的。对于涂覆 GN CrN混合层或GN AlCrTiN 混合层或焊接的模具镶件，其桥部区域都表现了良好的耐磨性。而且，随着锻件数量的增加，其磨损量呈比例发生轻微增长。
关键词：锻造工艺，破坏现象，模具寿命，扫描，混合层
- 引言
热锻工艺中使用的锻压模具工作条件十分甚至极端恶劣：周期性工作，有时机械压力达到1000Mpa，模具表面温度从60℃到800°C变化。[1]。这使得在操作过程中，模具产生了多种因素的磨损。特别是在工件的表面和模具的表层，易产生各种失效形式[2]。最常见的(也是经过实践证明的)失效形式是：在温锻[3]和热锻[4]过程中产生的塑性变形和磨损、热疲劳裂纹[5-7]和热机械疲劳[8]。即使在冷锻过程中，磨损也是研究最广泛的一种失效形式[9，10]。譬如，在汽车转向器锻造过程中，我们对模具的主要失效形式进行了全面分析[11]，然后采用各种各样的方法来避免这些失效形式，常规做法是在模具表面涂覆一层适当的保护层，以免受一种或多种失效的损害[2,12]。
目前，最常用、也是最便宜的一种提高模具寿命的方法是渗氮。尽管这种方法已经大众化，但它并没有大幅提升模具寿命。这也是为什么继续寻找其他提高模具寿命的方法，相对地，这些方法更高效但也更昂贵[12，13]。目前的方法无疑是使用两种或两种以上的表面工程技术。针对模具材料的组成以及不同的处理技术进行了各种实验，包括冷处理[14]、不同形式的热处理[15]、涂覆硬PVD涂层[16]还有书中描述的许多其它的方法[17]。其中，混合技术可以使热机械处理和一种PVD技术相结合，在表面涂覆一层保护膜，从而为表面提供适当的性能特性，有效减少失效性因素的影响[18]。作者在以前的研究中就对此方法进行了验证[19]并发现了使用混合层的优点。它可以成功地应用于大型金属成形[ 20 ]，压铸成形[ 21 ]和热锻成形[ 22 ]。另外，带焊接层的模具镶件也可以显著提高模具寿命[26]。
后者是通过同时熔化基体的焊接技术在锻造模具上覆盖一层金属。基本要求是：在保证涂层最佳性能的前提下，通过预防(浓缩)或修复(再生旧部件)，消耗最低的成本来延长整体的工作时间。在文献中，从生产的角度来看，模具寿命通常是指使用特定模具生产的满足质量要求的锻件数量。但是，从科学的角度来看，模具寿命与其在工作过程中抵抗失效性因素的能力有关。在这种情况下，应该对造成模具磨损或失效的失效机制进行客观评价和分析，而不是对操作人员进行主观评价，就像从不同的角度对生产进行的定义也不同一样。模具寿命是一个复杂的问题，模具磨损严重降低了锻件的质量。在后面的工作中，作者频繁地提及到这些问题[23-25]。在那些[24]工作中，根据自己的研究和与锻造行业合作进行的实验，作者集中讨论了几种被选定的方法，这些方法是在工业过程中被认为是提高模具寿命的最有效的方法。 由于磨损，在模具填充过程中产生了几种最常见的缺陷，即：不完全锻造、折叠、毛刺、弯曲、划痕、微观和宏观裂纹等。这些缺陷反过来又会影响最终锻件的功能[25]。
本研究比较和分析了选用气体氮化层 pvd涂层的混合涂层、氮化层和焊接层对在车轮热锻过程中使用的锻造模具寿命(特别是两个主要的选定区域)的影响。
为了确定被分析模具的磨损程度(材料损耗)，在性能测试中，采用了由测量人员新开发的3D逆向扫描方法—利用扫描仪对锻件进行扫描，通过分析周期性收集锻件的形状的变化（锻件材料的增加），对模具的持续性磨损进行测量（模具的材料损失）。通过使用带有集成激光扫描仪的测量臂直接测量模具磨损量来验证锻件形状变化的测量结果。在结构试验的基础上对机构进行了详细的分析。
通过分析上述方法，我们可以客观地评价混合层在提高工业锻模寿命方面的有效性。
- 研究材料
为了进行研究，选择了前轮锻件的热锻工艺(图1c)。在齿轮箱中，后齿齿轮被用作发动机的反向前齿轮。
分析过程是在公称压力为25 MN的曲柄压力机上实现的，整体分为三步(图1a)：I—镦粗、II—粗加工和III—精整。锻造材料选择C45钢，形状为圆筒状。初始温度为1150°C。通过分析，模具材料选用为WCL钢。首先，利用废料将模具初步加热到250℃，第二步和第三步的模具需进行气体氮化处理。对第二步中使用的下模镶件进行了失效分析，其寿命最低，为7000个锻件(图1b)。
图1.锻造工艺：(a)安装在压力机上的前轮锻件中使用的模具；(b)II中的下模镶件(c)前轮锻件(冲压和修整之后，磨齿之前)
- 测试方法
为了提高模具的寿命，我们采用了氮化层或者PVD复合涂层的混合涂层形式并选择了AlCrTiN、AlCrTiSiN和CrN三种不同的涂层。另外，为了便于与其他方法得到的模具镶件进行比较，我们又测试了两个模具镶件。其中一种是进行传统渗氮处理，另一种采用直径1.2mm的合金焊丝进行焊接。将准备好的模具在Kuźnia Jawor S.A.的工业条件下进行性能测试。(Jawor Forge)。表1列出了所获得的作为混杂层一部分的氮化层的性能，以及所应用的PVD涂层和焊接层的性能。
然后，对模具进行清洗和一系列测试，包括：机械扫描和宏观分析、显微组织分析和显微硬度测试。
- 扫描和宏观分析
为了进行分析，除了在上一步准备的渗氮模具镶件外，其余必须选择已经生产了相似数量锻件的模具镶件。在工作过程中，观察它们的磨损情况，重要的是，根据周期性收集的锻件的表面状态记录下镶件的表面状态。过程结束后，进行宏观分析，结果表明，在特定模具镶件的不同区域(图2)，表面发生了变化。在所有的内部、凸起区域，都出现了由热疲劳和热机械疲劳引起的裂缝。对于一些生产大量锻件后的模具镶件(带焊接层模具、AlCrTiSiN模具和涂覆AlCrTiSiN层的模具)，可以观察到明显的磨损痕迹，并且疲劳加剧了磨损。反过来，对于每一个模具镶件，特别是涂覆GN CrN层的模具，在桥部可以观察到整圈的强烈磨损
（图2d）。
此外，涂覆不同类型的保护层，可以在型槽凸起区域观察到不同程度的失效形式。带焊接层的模具镶件具有良好的抗深裂和抗塑性变形能力，其磨损逐渐进行，表层没有大量剥落。带PVD涂层的模具的磨损分为两个阶段：在磨损的作用下形成裂纹网格，裂纹加深并加速磨损，从而使整个表层脱落。带有AlCrTiN和AlCrTiSiN涂层的模具(图2b，c)呈现出深辐射裂纹的倾向，以及有加速前表面剥落和磨损的趋势。带有AlCrTiN涂层的模具(图2c)，裂纹网络更细，模具表层不易脱落。
在分析区域内，CRN涂层似乎是最能抵抗疲劳失效的，裂纹网络浅而致密(图2d)，直到最后，表层也没有脱落。对于带有渗氮层的模具，虽然也观察到细小致密的裂纹网络，但局部磨损却以最快的速度扩散至整个观察区域。此外，有内部扩散的局部脱落的不可预测性和大小最令人头疼。
图2.对模具镶件进行的宏观分析:(a)焊接层；（b）GN AlCrTiN混合层；（c）GN AlCrTiSiN混合层；（d）GN CrN混合层；（e）渗氮层
另一个观测区域是模具桥部靠近飞边的周向区域。在此区域，由于锻件材料剧烈流入飞边槽，在模具的整个圆周上都会产生磨损。除了带有CRN涂层的模具外，其余模具都会产生剧烈的磨损。带渗氮层的模具，等到渗氮层消失后，模具会加速磨损并形成更深的裂纹。只有带有5毫米厚焊接层的模具，尽管材料磨损严重，但直到结束，其模具表层仍然存在，将磨损程度降到了最低。结果表明，带有GN CrN层和焊接层的模具效果最好。
为了对表面状态进行定量评价，我们对模具镶件进行了扫描。
为了测量锻件的几何变化，我们采用了ROMER Absolute ARM 7520si的测量臂(图3)和Polyworks软件和实时质量网格技术。该测量臂既可以使用测量探头进行经典的测量，也可以与直线激光扫描仪RS3相结合进行无接触测量，其准确度为2 sigma 30 mu;m。
为了确定模具的磨损程度(材料损耗)，在性能测试中，采用了3D逆向扫描法—利用扫描仪对锻件进行扫描，通过分析周期性收集锻件的形状的变化（锻件材料的增加），对模具的磨损进行测量（模具的材料损失）。
文献[23]对该方法进行了详细的讨论，并结合盖子锻件的热锻工艺对其进行了分析和验证。
在此基础上，作者采用3D逆向扫描法对模具镶件的磨损进行了研究。图4显示了对磨损的模具镶件进行的扫描。
作者发现，涂覆有GN CrN层的模具，其型槽凸起部位和飞边桥部的磨损程度都是最低的。在没有一个新模具供扫描的情况下，我们也可以将扫描图像(图4)与CAD模型进行材料磨损的比较。
图3：（a）用配备了集成激光扫描仪的ROMER Absolute ARM 7520si测量臂扫描被选定的模具镶件（b）对被选择的锻件进行扫描分析
图4.扫描磨损模具的图像：a）6900个锻件后的带焊接层的模具；b）8000个锻件后的带GN ALCrTiN 层的模具；c）6500个锻件后的带GN ALCrTiSiN层的模具；d）7000个锻件后的带GN CrN层的模具；e）4000个锻件后的带渗氮层的模具
图5所示的结果汇总证实了由于锻模所用材料的不同，在分析区域内会出现不同的磨损情况。我们可以看出，在生产7000个锻件的情况下，涂覆GN CrN层的插入模具有最小的损失值1498[mm3]。在生产6900件锻件的情况下，带焊接层的模具有较小的材料损失，但也是最小值的两倍多，大约是3120[mm3]。在生产6500个锻件的情况下，涂覆GN ALCrTiSiN层的模具材料损失最大，为6145[mm3]。
图5.终锻和磨损模具镶件的材料损失和锻件数量的汇总
在本研究中，作者扩展了目前使用的3D逆向扫描方法。通过对指定模具的两个主要区域进行分析，表明这两个区域主要是发生不同的失效形式。而之前经过其他实验证实的结果表明：根据定期收集的材料的样本显示，模具全部材料的损失不会随着数量的增加而增加。对扫描结果的彻底分析表明，在第二步操作(粗加工)中，有时锻件可能不完全成形，在扫描过程中，我们观察到的是材料的损失并非材料的增加。然而，这并不意味着模具有缺陷，但它可以说明锻件有缺陷(不完全填充)。这使得作者决心单独确定被选定区域的材料损失。图6是所述的方法，采用在锻造过程中未磨损的表面作为模具镶件和扫描过程中锻件的参考面。
图6.三维扫描方法原理图。将A(凸起)和B(桥部)划分为选定区域，对比显示了（a）GN AlCrTiN 的模具和（b）第100次锻造结束后的模具的扫描图像。
图7.对于涂覆 GN AlCrTiN层的模具划分的选定区域，将模具和终锻件体积损失/增长结果的汇编。
应该强调的是，根据定期收集的锻件的扫描结果，最后一个样本是根据镶件磨损的实际材料损失来核实的。
图8显示了根据被分析模具的凸起区域—A区的扫描结果得到的材料损失，图9显示了根据被分析模具的桥部区域—B区的扫描结果得到的材料损失。
图8.基于锻件在被选择的A区域进行体积磨损计算结果的编辑
图9.基于锻件在被选择的B区域进行体积磨损计算结果的编辑
通过对模具A区的磨损的分析，可以看出：在生产7000个锻件后，涂覆GN CrN层的模具磨损量最小，为890[mm3]。通过带有焊接层和涂覆GN AlCrTiN层的模具虽然磨损量更大，但仍然令人满意，这使得获得更高的锻件数量成为可能。当锻件为6900/8000件时，体积磨损值为1500[mm3]。在图中我们可以注意到：当锻件为4000个时，磨损值相似，但是如果使用GN AlCrTiN涂层 和 GN CrN涂层，可以显著延长模具的寿命，这为生产满足工艺质量要求的7000-8000个锻件提供了可能。
在分析模具B区的磨损时，我们注意到，在生产了7000个锻件时，涂覆GN AlCrTiN层和带焊接层的模具显示出了较高的材料磨损量，为1600[mm3]。而在同样产量的情况下，涂覆GN CrN层和GN AlCrTiSiN层的模具最大的材料磨损量才600[mm3] 。在分析涂层模具的磨损过程中，我们注意到：涂覆GN AlCrTiN层的模具的寿命可以提高到8000个锻件。同时，由于其具有稳定的磨损情况，使得可以获得所需几何形状的锻件。
在宏观分析的基础上，我们可以确定，在模具镶件的凸起部位(A区)发生了热疲劳和磨损。反过来，在桥部 (B区域)只观察到磨损。这也在进一步研究阶段进行的微观组织测试和硬度测量实验中得到了证实。
- 微观分析
为了便于微观分析，在每个分析过的模具上纵向切取一部分代表性样本（从中心轴到模具的周边）。为方便后续的详细测试，在样本上标注其特征区域（控制点）（图10）。
图10.标注出控制点的样本图表
图1
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