RNT納米涂層技術(shù)在沖壓模具上的應(yīng)用

文/何成，朱梅云，杜長(zhǎng)勝·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

RNT納米涂層技術(shù)在沖壓模具上的應(yīng)用

文/何成，朱梅云，杜長(zhǎng)勝·安徽江淮汽車股份有限公司技術(shù)中心

本文對(duì)RNT納米涂層技術(shù)在沖壓模具上的應(yīng)用及影響進(jìn)行了分析和驗(yàn)證，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，表明RNT納米涂層技術(shù)的使用有利于提高模具硬度、減少修模次數(shù)，消除沖壓成形過(guò)程中的拉毛、破裂等沖壓成形缺陷，最終達(dá)到提高沖壓件成形性能的目的。

何成，工程師，主要從事沖壓工藝分析、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試及驗(yàn)收等工作，參與RNT涂層技術(shù)的應(yīng)用、跟蹤及前期對(duì)接，擁有三項(xiàng)實(shí)用新型技術(shù)專利。

隨國(guó)家對(duì)汽車節(jié)能降耗的硬性要求，汽車車身輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車節(jié)油降耗的重要途徑。而高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用則是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的重要手段之一，但與普通鋼板相比，板材抗拉強(qiáng)度的顯著提高和延伸率的顯著下降，成形需要更大的壓邊力，導(dǎo)致成形過(guò)程中拉毛缺陷越來(lái)越多，拉毛現(xiàn)象是一種嚴(yán)重的質(zhì)量缺陷，致使車身性能降低，拉毛現(xiàn)象也降低了沖壓工藝的穩(wěn)定性，致使廢品率上升，同時(shí)拉毛缺陷又令模具發(fā)生更嚴(yán)重的磨損，降低模具壽命，增加修模次數(shù)。

目前高強(qiáng)度鋼板拉毛缺陷在各大汽車生產(chǎn)廠中普遍存在，已經(jīng)成為制約高強(qiáng)度鋼板大量使用的絆腳石。在現(xiàn)有模具材料的情況下，提高模具表面硬度是解決高強(qiáng)鋼沖壓件拉毛現(xiàn)象的主要措施。

現(xiàn)有的模具表面處理技術(shù)

外板件成形——整體鑄鐵類模具的表面處理

目前汽車覆蓋件外板件工件形狀相對(duì)簡(jiǎn)單且大多采用普通鋼板，鋼材的抗拉強(qiáng)度不高、延展性較好，對(duì)模具的整體要求并不太高，模具大多采用整體結(jié)構(gòu)，模具材料采用球墨鑄鐵等鑄鐵類材料。因其整體模具尺寸較大，表面處理大多采用鍍硬鉻工藝或滲氮工藝。這兩種表面處理方法的抗拉傷性能較好，表面硬化效果有限，表面硬度僅有1000HV左右，當(dāng)表面硬化層磨損后拉傷又會(huì)出現(xiàn)。此外，鍍硬鉻的鍍層與模具母材是機(jī)械結(jié)合，在成形壓力較大時(shí)容易脫落，鍍層一旦脫落抗拉傷性能也就失去，所以鍍硬鉻或滲氮工藝在汽車覆蓋件模具上雖然有應(yīng)用，但效果有限。

內(nèi)板件/結(jié)構(gòu)件成形——冷沖壓成形模具表面處理

內(nèi)板件工件形狀比較復(fù)雜且越來(lái)越多地使用高強(qiáng)度鋼板，因此這類制件對(duì)模具的整體性能要求更高，模具通常采用鑲拼結(jié)構(gòu)，鑲塊的表面處理國(guó)內(nèi)目前大多采用PVD涂層工藝或TD工藝處理。

PVD鍍層（如鍍鈦層）具有良好的抗拉傷性能，鍍層硬度可以高達(dá)2000～3000HV，甚至更高，因而具有優(yōu)異的耐磨性能，但鍍層與基體結(jié)合力較差，在拉深類模具上使用時(shí)很容易使鍍層脫落，發(fā)揮不出其抗拉傷和耐磨效果，有時(shí)甚至無(wú)效果。另一缺點(diǎn)是鍍層厚度通常只有3～5μm，相對(duì)于硬度最高也不過(guò)600～700HV的模具基材，無(wú)異于覆蓋在柔軟的蛋白上的一層薄薄蛋殼，一旦承受較大的沖擊載荷，就會(huì)因蛋白本身太軟，不足以負(fù)擔(dān)大的載荷而產(chǎn)生塑性變形從而導(dǎo)致蛋殼的破裂，我們稱之為“蛋殼效應(yīng)”，因此，這類工藝在成形模具上的應(yīng)用也很有限。

TD覆層處理后的模具表面具有高硬度、低摩擦系數(shù)，模具的抗腐蝕性、抗氧化性也大幅度提高，其缺點(diǎn)在于，TD覆層處理對(duì)模具材料的要求很高。其原理是零件材料中的固溶碳原子作長(zhǎng)程擴(kuò)散形成碳化物層，因此當(dāng)模具材料的含碳量低于0.35%，就不適合作TD處理；另外，TD處理溫度在850～1050℃，是一種高溫處理過(guò)程，其間產(chǎn)生的熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、比容的變化會(huì)使模具在熱處理過(guò)程中容易產(chǎn)生變形甚至開(kāi)裂，一般修補(bǔ)過(guò)的模具在焊縫處也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，TD覆層處理對(duì)模具的加工質(zhì)量和形狀有很高的要求；此外，TD覆層處理后再加工困難，無(wú)法滿足設(shè)計(jì)變更及調(diào)模修模的需要，對(duì)已做過(guò)其他表面處理的模具，需將原表面處理徹底清除，否則會(huì)影響TD覆層表面質(zhì)量，同時(shí)，受TD處理設(shè)備和成本的限制，國(guó)內(nèi)大部分TD加工企業(yè)只能加工500mm×1000mm以內(nèi)的模具，超過(guò)這個(gè)尺寸的設(shè)備條件無(wú)法滿足，因此，對(duì)于尺寸偏大的模具，必須是分鑲塊結(jié)構(gòu)才能處理。所以，這類工藝在成形模具上應(yīng)用也很有限。

目前，對(duì)于徹底解決汽車覆蓋件沖壓成形過(guò)程中的工件拉毛問(wèn)題還沒(méi)有一個(gè)行之有效的解決方法，鍍硬鉻、滲氮、PVD及TD在實(shí)際運(yùn)用中都有其弊端。RNT納米涂層技術(shù)的出現(xiàn)為解決拉毛問(wèn)題提供了一條新的途徑。

RNT涂層技術(shù)的應(yīng)用

RNT納米涂層技術(shù)是納米粒子滲透法復(fù)合碳化物處理技術(shù)，簡(jiǎn)稱RNT技術(shù)。其工作原理是將RNT涂層液對(duì)模具型腔進(jìn)行涂覆后，通過(guò)壓力使涂層納米分子擴(kuò)散并作用于模具表面形成納米金屬碳化物覆層，其過(guò)程由內(nèi)向外擴(kuò)展，厚度與硬度隨模具工作時(shí)間的增加而增加，涂層厚度在0.1～1μm，涂層硬度在1100～1600HV，即使在模具承受較大載荷時(shí)也不會(huì)因基材塑性變形而導(dǎo)致表面的涂覆層脫落失效，其厚度與硬度由內(nèi)至外隨模具工作時(shí)間與涂覆次數(shù)的增加而增加。

為驗(yàn)證該技術(shù)應(yīng)用的有效性和可行性，江淮汽車沖壓車間對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了多輪現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)2次硬度試驗(yàn)，2次配方調(diào)整，4次脫脂試驗(yàn)，2次涂覆方式調(diào)整，試驗(yàn)結(jié)果表明納米涂層技術(shù)應(yīng)用成本較低（約為模具TD技術(shù)的1/10），試驗(yàn)效果良好。

硬度驗(yàn)證

為驗(yàn)證RNT對(duì)模具表面硬度的提高程度，我們做了一些試模試驗(yàn)。某車型左右內(nèi)上加強(qiáng)板（材料為DC05）拉延模，對(duì)模具表面用RNT材料進(jìn)行處理，試驗(yàn)產(chǎn)品數(shù)量為716件，最后選取模具上四個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試前后硬度變化如表1所示。

表1 硬度試驗(yàn)結(jié)果

該試驗(yàn)結(jié)果表明，RNT對(duì)模具表面硬度有一定的提升效果。

脫脂驗(yàn)證

產(chǎn)品的涂裝脫脂驗(yàn)證主要分為板料涂覆驗(yàn)證和模具涂覆驗(yàn)證兩種形式。

第一輪進(jìn)行板料涂覆驗(yàn)證，將RNT材料涂覆在板料上進(jìn)行脫脂試驗(yàn)。試驗(yàn)流程：首先將試板涂上RNT納米涂層液，接著烘干（110℃、2h），之后常溫放置48h，再在60℃清水中漂洗4min進(jìn)行脫脂。最后觀察脫脂結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試板水膜覆蓋率未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，不能滿足生產(chǎn)要求。

第二輪模具涂覆驗(yàn)證，將RNT涂層材料涂覆在模具表面，然后生產(chǎn)沖壓件，再取打好的沖壓件，將涂覆位置切割下來(lái)進(jìn)行脫脂驗(yàn)證。驗(yàn)證使用江淮汽車實(shí)際生產(chǎn)中的脫脂液進(jìn)行脫脂試驗(yàn)，模擬現(xiàn)場(chǎng)脫脂工藝，首先進(jìn)行預(yù)脫脂，脫脂液溫度為45～50℃，采用噴淋方式，噴淋時(shí)間為1min；然后進(jìn)行主脫脂，脫脂液溫度為45～50℃，采用浸入方式，浸入時(shí)間以樣板表面完全脫脂為止，最后用水沖洗。試驗(yàn)表明，先1min預(yù)脫脂，再經(jīng)1.5min主脫脂試驗(yàn)，最后去離子水沖洗，結(jié)果沖洗試板表面水膜連續(xù)，滿足生產(chǎn)要求。

現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

證實(shí)RNT材料涂覆在模具上可以滿足生產(chǎn)要求后，我們對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了多輪現(xiàn)場(chǎng)工藝驗(yàn)證，主要驗(yàn)證主機(jī)廠和外協(xié)廠生產(chǎn)中一直存在拉毛問(wèn)題的沖壓件。

驗(yàn)證一：實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某車型尾門(mén)外板，該工件以往每生產(chǎn)50件左右模具翻邊處就會(huì)出現(xiàn)拉毛并逐漸嚴(yán)重，生產(chǎn)至250件左右出現(xiàn)廢品，導(dǎo)致生產(chǎn)線停機(jī)，跟線的模修人員必須卸下模具鑲塊，進(jìn)行修模處理，每次耗時(shí)約30min。測(cè)試時(shí)將RNT納米涂層涂覆于易拉毛鑲塊R角翻邊處，用時(shí)3min，涂覆結(jié)束生產(chǎn)線即開(kāi)始進(jìn)行生產(chǎn)，期間利用換料停機(jī)時(shí)間，進(jìn)行RNT加強(qiáng)涂覆處理，用時(shí)1min，直至1600件生產(chǎn)完成，未有拉毛現(xiàn)象出現(xiàn)，完全達(dá)到了預(yù)期測(cè)試目的。圖1a、b分別為翻邊處使用RNT涂層前后的產(chǎn)品表面對(duì)比情況。

圖1 翻邊處使用RNT前后結(jié)果對(duì)比

驗(yàn)證二：本次選取的前邊構(gòu)件連接板加強(qiáng)件是江淮某配套企業(yè)的難點(diǎn)件，板料為2.5mm高強(qiáng)鋼板，往常每生產(chǎn)2～3件工件時(shí)，即開(kāi)始出現(xiàn)拉毛，生產(chǎn)至20～30件時(shí)即需停機(jī)進(jìn)行線上修模，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。試驗(yàn)中對(duì)該工件R角進(jìn)行拋光、清潔、涂覆RNT涂層之后進(jìn)行無(wú)油化生產(chǎn)，板件不再涂覆沖壓油，生產(chǎn)間隙對(duì)易拉毛部位R角進(jìn)行二次加強(qiáng)涂覆，直至該批次500件生產(chǎn)完成未發(fā)現(xiàn)不合格件。圖2a、b分別為連接板加強(qiáng)件使用RNT涂層前后的產(chǎn)品表面對(duì)比情況。

圖2 連接板加強(qiáng)件使用RNT前后結(jié)果對(duì)比

RNT涂層技術(shù)總結(jié)

⑴涂層與基體的結(jié)合是分子結(jié)合，膜層致密，耐久性好，膜層硬度高（顯微硬度達(dá)1100～ 1600HV），耐磨性好，可與其他表面處理工藝結(jié)合使用。

⑵由于RNT涂覆層的形成是由基材內(nèi)部向外部逐步擴(kuò)散而形成表面堅(jiān)硬層，對(duì)表面硬化層形成有效支撐，所以即使在模具承受較大載荷時(shí)也不會(huì)因基材塑性變形而導(dǎo)致表面的涂覆層脫落失效。

⑶模具型腔經(jīng)RNT涂層處理后，壽命能夠增加5～10倍，特別是一些精密模具，經(jīng)處理后更能承受涂層前不可能承受的嚴(yán)酷加工條件。

⑷RNT涂層最大的優(yōu)勢(shì)還在于模具可以隨時(shí)隨地進(jìn)行涂覆處理，能夠在形狀復(fù)雜的工件上覆膜，膜層沉積速率快，生產(chǎn)效率高，免去了大型模具做表面處理需要吊裝、長(zhǎng)途運(yùn)輸而帶來(lái)的困擾和高昂費(fèi)用，節(jié)約大量時(shí)間。

⑸模具表面無(wú)論是在RNT處理之前或之后都可以燒焊及局部覆層，滿足設(shè)計(jì)變更及調(diào)模修模的需要。

⑹RNT可涂覆基材廣泛，從各類鑄鐵、工具鋼到各類有色金屬都可以方便地進(jìn)行令人滿意的涂層處理。成膜溫度低(可在常溫下成膜）、膜層的熱穩(wěn)定性好(600℃時(shí)膜層不脫落，不起皮）。

⑺RNT涂層的摩擦系數(shù)僅為0.001，是當(dāng)今模具涂層中最小的，因此它具有最小的摩擦磨損，以及更好的表面光潔度。

⑻RNT涂層還具有超強(qiáng)的防腐性和卓越的抗氧化性能。

⑼涂層過(guò)程中無(wú)環(huán)境污染，對(duì)人體完全無(wú)害，操作安全。

結(jié)束語(yǔ)

伴隨著新沖壓材料的使用和消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的重視，表面涂層處理技術(shù)在汽車覆蓋件模具行業(yè)得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，如何在提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)降低成本，是行業(yè)的永恒追求。RNT納米涂層技術(shù)的應(yīng)用既能夠提高模具硬度，有效解決拉毛問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，又能降低生產(chǎn)成本，成為目前涂層技術(shù)中最新、最先進(jìn)的金屬表面處理技術(shù)之一，必將在行業(yè)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用和推廣。