CN111570554B - 一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，包括以下步骤：沉积涂层：通过PVD物理气相沉积技术在冷挤压模具凹模内圈表面沉积硬质涂层；表面微造型：在冷挤压模具凹模内圈的硬质涂层的表面制备微织构；配置润滑剂：配置复合固体润滑剂；填充润滑剂：通过超声振动挤压方式，将复合固体润滑剂填压到凹模内圈的硬质涂层的表面微织构中。结合表面涂层技术、表面微造型技术、固体润滑剂技术和润滑剂填充技术，在齿轮冷挤压模具表面制备织构化涂层自润滑表面，提高冷挤压模具表面抗磨减摩性能，改善模具表面润滑效果，提高成形质量，延长模具使用寿命，解决了冷挤压模具在成形过程中存在润滑效果差、模具磨损严重和传统润滑方式污染环境的问题。

Description

一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法
技术领域
本发明属于模具表面处理技术领域，尤其涉及一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，提高齿轮冷挤压模具表面的润滑性能和模具使用寿命，改善齿轮成形质量，降低企业生产成本。
背景技术
冷挤压是制造齿轮的重要生产工艺，具有优质、高效与低成本的独特优势，正受到装备制造业的高度重视。但由于冷挤压成形齿轮过程中，坯料与模具间的接触压力高达1000MPa～2500MPa，导致润滑条件恶劣，从而在坯料与模膛间产生巨大摩擦力,它不仅使金属变形抗力增大、引起变形的不均匀,同时还会造成模具的磨损,大大降低模具使用寿命。因此，研究高压、大切应变率条件下模具的摩擦磨损和润滑问题已成为制约工艺成败的关键，急需寻求降低坯料与挤压模具之间的摩擦力解决方法。
目前冷挤压模具上常用的润滑方法包括：在模具和坯料表面涂抹固体或液体润滑剂、通过表面处理(如自润滑镀层或喷涂层等)提高模具的表面润滑效果。其中液体润滑剂由于渗漏、溢出和对润滑剂的处理不当等原因，会造成环境污染；采用固体润滑剂喷涂方式，则易造成模具工作表面喷涂不均匀、以及润滑剂粉末四处飞扬,污染环境和影响操作人员的健康。而通过对模具进行表面镀层处理的方法同样存在其局限性，一方面增加了模具的制造成本和难度，另一方面由于模具表面在成形过程中受到较大的压力和剪力，模具表面镀层易在成形过程中逐渐磨损脱离，失去润滑效果。
中国文献专利CN201110148422.X，公开日为2011年6月3日，公开了一种金属塑性成形模具织构化自润滑处理方法，通过对模具表面织构化微加工处理,然后对模具进行自润滑复合材料成型粘结加工处理，实现模具表面的润滑性能的优化分布。该方法对模具润滑效果有一定的提高，但由于成形过程中，模具织构化表面未设置耐磨涂层，容易磨损，微织构深度越来越浅，储存润滑剂能力减弱，逐渐失去润滑效果，导致模具失效。
中国文献专利CN201110161614.4，公开日为2011年6月16日，公开了一种具有自润滑涂层的铁素体不锈钢冲压模具，其具有以下层结构：一种铁素体不锈钢模具作为基底；在基底上沉积中间过渡层FeCrAlY涂层；在中间过渡层上沉积阻挡层TiN或者TaN涂层；在阻挡层上沉积具有自润滑功能的BN涂层。由于冲压过程中产生的碎屑不能及时排出，从而不断刮擦涂层表面，导致该自润滑涂层寿命有限。
中国文献专利CN201810227762.3，公开日为2018年3月19日，公开了一种连续润滑的挤压模具，本发明是由润滑剂储箱和挤压模具组成；润滑剂储箱的侧壁上部设置至少一个润滑剂注入孔；挤压模具的侧壁上布置至少一个润滑剂孔；润滑剂储箱套在挤压模具的外部，通过外部加压设备将润滑剂持续注入模具与坯料的接触表面。由于挤压过程中，模膛内产生巨大压强，导致润滑剂加压设备难以确定合适的压力值，加压设备的压力大小严重影响挤压模具的润滑效果，影响企业生产效率。
发明内容
针对上述技术问题，本发明提出一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，结合表面涂层技术、表面微造型技术、固体润滑剂技术和润滑剂填充技术，在齿轮冷挤压模具表面制备织构化涂层自润滑表面，提高冷挤压模具表面抗磨减摩性能，改善模具表面润滑效果，提高成形质量，延长模具使用寿命，解决了冷挤压模具在成形过程中存在润滑效果差、模具磨损严重和传统润滑方式污染环境的问题。
本发明的技术方案是：一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，包括以下步骤：
沉积涂层：通过PVD物理气相沉积技术在冷挤压模具凹模内圈表面沉积硬质涂层；
表面微造型：在所述冷挤压模具凹模内圈的硬质涂层的表面制备微织构；
配置润滑剂：配置复合固体润滑剂；
填充润滑剂：通过超声振动挤压方式，将复合固体润滑剂填压到凹模内圈的硬质涂层的表面微织构中。
上述方案中，所述沉积涂层的步骤中硬质涂层为TiCN或TiAlN涂层。
进一步的，所述硬质涂层的沉积厚度为1～4μm。
上述方案中，所述表面微造型的步骤中微织构为多个半球形凹坑织构。
进一步的，所述凹坑织构的直径R为90～200μm，深度H为10～30μm，凹坑织构在硬质涂层上分布的密度为15～35％。
上述方案中，所述表面微造型的步骤中采用二级泵浦Nd:YAG激光器在硬质涂层的表面制备微织构，二级泵浦Nd:YAG激光器的加工参数：电流为16～21A，重复频率为1300～2000Hz，脉冲重复次数为4～15次。
上述方案中，所述配置润滑剂的步骤中复合固体润滑剂的配方按质量百分比包括：
氟化石墨烯：0.5％～5％，二硫化钼：75％～85％，添加剂：10～20％；
所述氟化石墨烯的粒径≤2μm、纯度为98％；
所述二硫化钼的粒径≤1μm、纯度为98％。
上述方案中，所述填充润滑剂的步骤包括：对所述凹模内圈的硬质涂层表面进行研磨并超声清洗，将所述复合固体润滑剂涂覆在齿轮外表面，然后将齿轮放入凹模内圈中，超声振动挤压填充过程中，设定超声波频率，通过换能器和变幅杆将声频电信号转换成高频振动放大并传递给凸模，高频振动的凸模在压力机驱动下对齿轮产生挤压力，驱动齿轮高频振动并向下运动，从而将复合固体润滑剂充分填压到微织构中，获得冷挤压模具织构化涂层自润滑表面。
上述方案中，所述填充润滑剂的步骤中对所述凹模内圈的硬质涂层表面进行研磨并超声清洗15min。
上述方案中，所述超声振动挤压填充过程中，设定超声波频率为50～200kHz。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明结合表面涂层技术、表面微造型技术、固体润滑剂技术和润滑剂填充技术，在齿轮冷挤压模具表面制备织构化涂层自润滑表面，提高冷挤压模具表面抗磨减摩性能，改善模具表面润滑效果，提高成形质量，延长模具使用寿命，解决了冷挤压模具在成形过程中存在润滑效果差、模具磨损严重和传统润滑方式污染环境的问题。
附图说明
图1为本发明一实施方式的涂层沉积示意图；
图2为本发明一实施方式的织构化涂层示意图；
图3为本发明一实施方式的复合润滑剂超声填压示意图；
图4为本发明一实施方式的冷挤压模具织构化涂层自润滑凹模内圈示意图；
图5为本发明一实施方式的冷挤压模具织构化涂层自润滑凹模内圈剖视图。
图中，1-换能器；2-变幅杆；3-凸模；4-齿轮；5-凹模内圈；6-硬质涂层；7-凹坑织构；8-复合固体润滑剂。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
图1、2和图3所示为所述齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法的一种较佳实施方式，所述齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法包括沉积涂层、表面微造型、配置润滑剂和填充润滑剂的步骤。本发明采用涂层沉积设备和激光加工设备在齿轮冷挤压模具表面制备织构化涂层，并采用超声填压方式，将配置好的复合固体润滑剂填充到微织构中，获得冷挤压模具织构化涂层自润滑表面，实现齿轮冷挤压模具高效的和长寿命的自润滑。
所述沉积涂层的步骤包括：先将凹模内圈5超声清洗15min，然后通过PVD物理气相沉积技术在冷挤压模具凹模内圈5表面沉积硬质涂层6，有选的，硬质涂层6为TiCN或TiAlN涂层，针对冷挤压模具能够提供优异的耐磨性能。沉积厚度为1～4μm。本发明采用PVD涂层沉积方式沉积温度低，可以避免高温沉积涂层时损坏冷挤压模具，同时PVD沉积涂层硬度高，充分提高冷挤压模具的耐磨性。
所述表面微造型的步骤包括：在所述冷挤压模具凹模内圈5的硬质涂层6的表面制备微织构。微织构采用半球形凹坑织构形貌，直径R为90～200μm，深度H为10～30μm，密度为15～35％。有选的，利用二级泵浦Nd:YAG激光器在冷挤压模具的硬质涂层6表面进行微造型。激光器加工参数设为：电流16～21A，重复频率1300～2000Hz，脉冲重复次数4～15次，在凹模内圈5的硬质涂层6制备微织构。半球形凹坑微织构能够充分发挥储存复合固体润滑剂和收集磨屑的作用，提供持久的润滑效果，避免成形过程中产生的磨屑划伤涂层。激光表面微造型方式，具有加工效率高、加工半球形凹坑形貌好，加工过程中无废弃物和有毒气体产生，对环境友好。本发明先涂层后织构的顺序相比先织构后涂层，可避免涂层沉积到微织构中，破坏微织构形貌和深度。
所述配置润滑剂的步骤包括：根据不同润滑剂的摩擦性能属性，配置一定比例的高效复合固体润滑剂，采用Ohaus Discovery测量分析天平先按质量百分比称取粒径≤2μm，纯度为98％的氟化石墨烯：0.5％～5％；粒径≤1μm，纯度为98％的二硫化钼：75％～85％；添加剂(多种粘接剂)：10～20％，然后通过机械充分搅拌、混合均匀，在120℃下烘干1.5小时后，获得高效的复合固体润滑剂。所述复合固体润滑剂配方充分发挥了不同组分的协同润滑效应，润滑剂附着力强，能适应复杂工况条件下的冷挤压模具成形。
所述填充润滑剂的步骤包括：先对凹模内圈5的织构化涂层表面进行研磨并超声清洗15min，然后将涂有复合固体润滑剂8的齿轮4放入凹模内圈5中，设定超声频率为50～200kHz，通过换能器1和变幅杆2将声频电信号转换成高频振动放大并传递给凸模3，高频振动的凸模3在压力机驱动下对齿轮4产生挤压力，驱动齿轮4高频振动并向下运动，从而将复合固体润滑剂8充分填压到微织构中，获得冷挤压模具织构化涂层自润滑表面。润滑剂超声填压方式能够提高复合固体润滑剂8与微织构的结合强度，避免模具内高压强情况下，复合固体润滑剂8从模具中脱落，从而提高润滑剂使用寿命。
实施例1
基于齿轮冷挤压模具表面实现织构化涂层自润滑
所用设备：瑞士PLATITπ300纳米复合涂层设备、Nd:YAG激光器、PG-2型落地式金相抛光机、KYX25-2400L超声波清洗机、Ohaus Discovery测量分析天平、超声填压装置。
一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，包括以下步骤：
第一步：沉积TiAlN涂层
先将冷挤压凹模内圈5超声清洗15min，然后将凹模内圈5放入瑞士PLATITπ300纳米复合涂层设备的真空炉腔中，开启机械泵,稳定炉腔气压在5×10-3Pa，利用加热器对凹模5辐射加热并稳定在450℃，设置炉腔内置夹具转动的速度为3r/min，在氩气环境中对凹模5进行等离子清洗16min。使用Si靶、AlTi(67％Ti,33％Al)合金靶作为弧源，沉积时间为120min，获得厚度T为1μm的TiAlN涂层6，如图1所示。
第二步：表面微造型
利用二级泵浦Nd:YAG激光器在冷挤压凹模内圈5的涂层表面6进行微造型，加工参数设为电流为21A，重复频率为1500Hz，脉冲重复次数为15次，在沉积有TiAlN涂层的凹模内圈5上制备直径R为90μm，深度H为30μm，密度15％的圆形凹坑织构7，如图2所示。
第三步：配置润滑剂
采用Ohaus Discovery测量分析天平先按质量百分比称取粒径≤2μm，纯度为98％氟化石墨烯：0.5％、粒径≤1μm，纯度为98％的二硫化钼：85％、添加剂：14.5％，然后通过机械充分搅拌、混合均匀，在120℃下烘干1.5小时后，获得高效的复合固体润滑剂。
第四步：填充润滑剂
先对凹模内圈5的织构化涂层表面进行研磨并超声清洗15min，将配置好的复合固体润滑剂8均匀的涂覆在齿轮4外表面，然后将齿轮4放入凹模内圈5中，启动超声电源，频率设为200kHz，通过换能器1将超声电源产生的声频电信号转换为高频振动，变幅杆2再将高频振动放大并传递给凸模3，使凸模3在竖直方向实现高频振动，高频振动的凸模3在压力机驱动下对齿轮4产生挤压力，使齿轮4受到挤压的的同时产生高频振动，从而将复合固体润滑剂8充分填压到微织构7中。其中复合固体润滑剂超声填压如图3所示，获得的冷挤压模具织构化涂层自润滑表面如图4所示。
实施例2
一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，包括以下步骤：
第一步：沉积TiAlN涂层
先将冷挤压凹模内圈15超声清洗15min，然后将凹模内圈15放入瑞士PLATITπ300纳米复合涂层设备的真空炉腔中，开启机械泵,稳定炉腔气压在5×10-3Pa，利用加热器对凹模15辐射加热并稳定在450℃，设置炉腔内置夹具转动的速度为3r/min，在氩气环境中对凹模15进行等离子清洗16min。使用Si靶、AlTi(67％Ti,33％Al)合金靶作为弧源，沉积时间为150min，获得厚度T为4μm的TiAlN涂层6，如图1所示。
第二步：表面微造型
利用二级泵浦Nd:YAG激光器在冷挤压凹模内圈5的涂层表面6进行微造型，加工参数设为电流为18A，重复频率为1300Hz，脉冲重复次数为4次，在沉积有TiAlN涂层的凹模内圈5上制备直径R为100μm，深度H为20μm，密度20％的圆形凹坑织构7，如图2所示。
第三步：配置润滑剂
采用Ohaus Discovery测量分析天平先按质量百分比称取粒径≤2μm，纯度为98％氟化石墨烯：5％、粒径≤1μm，纯度为98％的二硫化钼：75％、添加剂：20％，然后通过机械充分搅拌、混合均匀，在120℃下烘干1.5小时后，获得高效的复合固体润滑剂。
第四步：填充润滑剂
先对凹模内圈5的织构化涂层表面进行研磨并超声清洗15min，将配置好的复合固体润滑剂8均匀的涂覆在齿轮4外表面，然后将齿轮4放入凹模内圈5中，启动超声电源，频率设为50kHz，通过换能器1将超声电源产生的声频电信号转换为高频振动，变幅杆2再将高频振动放大并传递给凸模3，使凸模3在竖直方向实现高频振动，高频振动的凸模3在压力机驱动下对齿轮4产生挤压力，使齿轮4受到挤压的的同时产生高频振动，从而将复合固体润滑剂8充分填压到微织构7中。其中复合固体润滑剂超声填压如图3所示，获得的冷挤压模具织构化涂层自润滑表面如图4所示。
实施例3
一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，包括以下步骤：
第一步：沉积TiCN涂层
先将冷挤压凹模内圈5超声清洗15min，然后将凹模内圈5放入瑞士PLATITπ300纳米复合涂层设备的真空炉腔中，开启机械泵,稳定炉腔气压在5×10-3Pa，利用加热器对凹模5辐射加热并稳定在450℃，设置炉腔内置夹具转动的速度为3r/min，在氩气环境中对凹模5进行等离子清洗16min。使用Si靶、Ti靶作为弧源，沉积时间为150min，获得厚度T为3μm的TiCN涂层6，如图1所示。
第二步：表面微造型
利用二级泵浦Nd:YAG激光器在冷挤压凹模内圈5的涂层表面6进行微造型，加工参数设为电流为16A，重复频率为2000Hz，脉冲重复次数为10次，在沉积有TiCN涂层的凹模内圈5上制备直径R为200μm，深度H为10μm，密度35％的圆形凹坑织构8，如图2所示。
第三步：配置润滑剂
采用Ohaus Discovery测量分析天平先按质量百分比称取粒径≤2μm，纯度为98％氟化石墨烯：5％、粒径≤1μm，纯度为98％的二硫化钼：85％、添加剂：10％，然后通过机械充分搅拌、混合均匀，在120℃下烘干1.5小时后，获得高效的复合固体润滑剂。
第四步：填充润滑剂
先对凹模内圈5的织构化涂层表面进行研磨并超声清洗15min，将配置好的复合固体润滑剂8均匀的涂覆在齿轮4外表面，然后将齿轮4放入凹模内圈5中，启动超声电源，频率设为120kHz，通过换能器1将超声电源产生的声频电信号转换为高频振动，变幅杆2再将高频振动放大并传递给凸模3，使凸模3在竖直方向实现高频振动，高频振动的凸模3在压力机驱动下对齿轮4产生挤压力，使齿轮4受到挤压的的同时产生高频振动，从而将复合固体润滑剂8充分填压到微织构7中。其中复合固体润滑剂超声填压如图3所示，获得的冷挤压模具织构化涂层自润滑表面如图4所示。
实施例1-3的复合固体润滑剂超声填压如图3所示，获得的冷挤压模具织构化涂层自润滑表面如图4和图5所示。本发明针对齿轮冷挤压模具成形过程中，存在润滑效果差、模具磨损严重和传统润滑方式污染环境的问题，主要是利用硬质涂层的耐磨性、微织构储存润滑剂与收集磨屑的特性、复合固体润滑剂的优异润滑性和具有创新性的润滑剂填充方式，提高齿轮冷挤压模具表面的减摩耐磨性能，在模具成形过程中接触表面实现高效的、长寿命的自润滑。
应当理解，虽然本说明书是按照各个实施例描述的，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施例的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，其特征在于，包括以下步骤：
沉积涂层：通过PVD物理气相沉积技术在冷挤压模具凹模内圈(5)表面沉积硬质涂层(6),所述硬质涂层(6)为TiCN或TiAlN涂层，所述硬质涂层(6)的沉积厚度为1～4μm；
表面微造型：在所述冷挤压模具凹模内圈(5)的硬质涂层(6)的表面制备微织构，微织构为多个半球形凹坑织构(7)，所述凹坑织构(7)的直径R为90～200μm，深度H为10～30μm，凹坑织构(7)在硬质涂层(6)上分布的密度为15～35％；
配置润滑剂：配置复合固体润滑剂(8)，复合固体润滑剂(8)的配方按质量百分比包括：
氟化石墨烯：0.5％～5％，二硫化钼：75％～85％，添加剂：10～20％；所述氟化石墨烯的粒径≤2μm、纯度为98％；所述二硫化钼的粒径≤1μm、纯度为98％；
填充润滑剂：通过超声振动挤压填充方式，将复合固体润滑剂(8)填压到凹模内圈(5)的硬质涂层(6)的表面微织构中，对所述凹模内圈(5)的硬质涂层(6)表面进行研磨并超声清洗15min，将所述复合固体润滑剂(8)涂覆在齿轮(4)外表面，然后将齿轮(4)放入凹模内圈(5)中，超声振动挤压填充过程中，设定超声波频率为50～200kHz，通过换能器(1)和变幅杆(2)将声频电信号转换成高频振动放大并传递给凸模(3)，高频振动的凸模(3)在压力机驱动下对齿轮(4)产生挤压力，驱动齿轮(4)高频振动并向下运动，从而将复合固体润滑剂(8)充分填压到微织构中，获得冷挤压模具织构化涂层自润滑表面。
2.根据权利要求1所述的齿轮冷挤压模具织构化涂层自润滑方法，其特征在于，所述表面微造型的步骤中采用二级泵浦Nd:YAG激光器在硬质涂层(6)的表面制备微织构，二级泵浦Nd:YAG激光器的加工参数：电流为16～21A，重复频率为1300～2000Hz，脉冲重复次数为4～15次。
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