汽車沖壓模具表面強(qiáng)化技術(shù)

文/章爽濱·奇瑞汽車股份有限公司制造工程院

汽車沖壓模具表面強(qiáng)化技術(shù)

文/章爽濱·奇瑞汽車股份有限公司制造工程院

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，客戶對汽車安全性能的要求越來越高，這樣就促使了廠家大范圍的使用高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度的鋼材，但是由于目前用的模具鋼本身強(qiáng)度及模具生產(chǎn)制造工藝的原因，無法滿足高強(qiáng)度和超高強(qiáng)度鋼零件的批量生產(chǎn)，中國目前常用的模具材料為Cr12、Cr12MoV，最高硬度能達(dá)到（60±2）HRC，在實(shí)際生產(chǎn)中會出現(xiàn)鑲塊表面磨損失效產(chǎn)生拉毛而無法批量生產(chǎn)，為此合理的表面強(qiáng)化技術(shù)就顯得尤為重要了。

沖壓模具傳統(tǒng)的強(qiáng)化處理技術(shù)

模具熱處理及表面強(qiáng)化是模具制造中的關(guān)鍵工藝之一，直接關(guān)系到模具的制造精度、力學(xué)性能、使用壽命以及制造成本，是保證模具質(zhì)量和使用壽命的重要環(huán)節(jié)。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于熱處理不當(dāng)所引起的模具失效居所有失效類型的首位。在模具設(shè)計(jì)制造過程中，若能正確選用鋼材，選擇合理的熱處理及表面強(qiáng)化技術(shù)工藝，對充分發(fā)揮材料的潛在性能、減少能耗、降低成本、提高模具的質(zhì)量和使用壽命都將起到重大的作用。當(dāng)前模具熱處理技術(shù)發(fā)展較快的領(lǐng)域是真空熱處理技術(shù)和模具的表面強(qiáng)化技術(shù)。

汽車沖壓模具表面強(qiáng)化處理技術(shù)介紹

目前沖壓模具表面強(qiáng)化處理技術(shù)應(yīng)用比較廣泛的大致有TD、CVD、PVD、鍍鉻以及超音速噴涂，模具表面強(qiáng)化處理技術(shù)能夠使模具材料擁有更好的性能，主要體現(xiàn)在有較好的耐磨性、抗粘附性、抗熱咬合性、耐熱疲勞及耐腐蝕性等等，較原材料性能有很大的提升。

⑴TD處理技術(shù)是由日本豐田中央研究所開發(fā)的，因此也稱為豐田擴(kuò)散法，是用熔鹽浸鍍法、電解法及粉末法進(jìn)行表面強(qiáng)化處理技術(shù)的總稱。過去有些文獻(xiàn)將TD處理稱為滲金屬處理，而實(shí)際應(yīng)用最為廣泛的是熔化浸鍍法(或稱熔鹽浸漬法、鹽浴沉積法)在模具表面形成VC，NbC，Cr23C6-Cr7C3等碳化物超硬層的方法。經(jīng)TD法處理的模具表面形成5～15μm厚的VC等薄膜，可顯著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗粘著性和耐蝕性等，從而大大提高了模具的使用壽命。

TD處理技術(shù)在使材料有更好的性能的同時，也存在一個問題，就是TD處理會引起模具鑲塊發(fā)生形狀和尺寸的變化。由于TD法處理溫度接近于鋼的淬火溫度，對于精度要求嚴(yán)格的工件，要特別注意防止變形，此時可以采取適當(dāng)?shù)拇胧⒆冃慰刂频阶钚≈?，比如選用淬透性良好的鋼種作為基體材料，對精密的工件預(yù)先進(jìn)行淬火、回火，采用低溫處理、高溫回火來調(diào)整殘余奧氏體量等。

⑵CVD即化學(xué)氣相沉積，是指在一定的溫度條件下，混合氣體與基體表面相互作用，使混合氣體中的某些成分分解，并在基體表面形成金屬或化合物等的固態(tài)膜或鍍層。

CVD法具有如下特點(diǎn)：可在大氣或低于大氣壓下進(jìn)行沉積金屬、合金、陶瓷和化合物涂層，能在形狀復(fù)雜的基體上或顆粒材料上沉積涂層。涂層的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)較易準(zhǔn)確控制，也可制備具有成分梯度的涂層。涂層與基體的結(jié)合力高，設(shè)備簡單操作方便，但它的處理溫度一般為900～1200℃，工件被加熱到如此高的溫度會產(chǎn)生變形及內(nèi)部組織變化。

⑶PVD即物理氣相沉積技術(shù)，是指在真空條件下，用物理的方法，將材料汽化成原子、分子或使其電離成離子，并通過氣相過程，在材料或工件表面沉積一層具有某些特殊性能的薄膜技術(shù)。

PVD法的特點(diǎn)之一是沉積溫度低于600℃，它可在工具鋼和模具鋼的高溫回火溫度以下進(jìn)行表面處理，故變形小，最適合尺寸形狀精密的模具?？刹桓淖儌鹘y(tǒng)的制造工藝，僅僅在最終加工后進(jìn)行一次處理，但不能用于低溫回火材料。PVD法的主要問題是：涂層與基體間的結(jié)合強(qiáng)度較低，對于冷作模具，由于沉積層發(fā)生早期剝離而出現(xiàn)無效果的情況；另外由于涂鍍性能不好，還存在著難以適用于復(fù)雜形狀模具的特點(diǎn)，必須進(jìn)行裝置上的一些改進(jìn)，如采用多個蒸發(fā)源和被處理零件繞蒸發(fā)源旋轉(zhuǎn)等措施。

⑷電鍍（鍍鉻）技術(shù)一般適用于一體鑄造的模具，將即將電鍍的模具作為陰極，置于六價鉻的電鍍鍍液中，使模具表面生成鍍層。其中溫度、電流密度和鍍液的成分影響鍍層的性能和電流效率。因此，為了得到所需的沉積性能和電鍍速率，就要對這些參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制。

汽車沖壓模具表面強(qiáng)化處理對比

對上述幾種常用的表面處理技術(shù)特性，分別從膜的種類、表膜的硬度以及膜厚等方面進(jìn)行比較和總結(jié)，希望對同行業(yè)的冷作模具表面處理有個參考，見表1。

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼以及超高強(qiáng)度鋼的廣泛使用，中國冷作模具目前常用的模具材料Cr12、Cr12MoV越來越難滿足高強(qiáng)度鋼材的深拉深的成形工藝，制件拉毛以及模具本體的拉傷，使得冷作模具生產(chǎn)時效率極低且生產(chǎn)報(bào)廢率也極高。表1對目前相對比較成熟的表面處理技術(shù)做了個簡單的介紹，目前使用較多的有TD處理和電鍍鉻（Cr）表面處理多運(yùn)用于冷作模具的成形類模具，例如拉深模（DR、FO），整形模（RST、CRST）以及翻邊模（FL、CFL）。

應(yīng)用實(shí)例

下面用實(shí)際案例對冷作模具常用的一些表面處理技術(shù)加以介紹。

前縱梁模具表面處理實(shí)例

如圖1所示，利用PVD技術(shù)對前縱梁后部本體拉延鑲塊式模具進(jìn)行表面處理。制件材料為SAPH440的酸洗鋼，料厚為2.0mm；失效問題是拉毛掉肉，模具鑲塊材質(zhì)為Cr12MoV。

注意事項(xiàng)：在PVD處理前對模具本體的鑲塊拼接處進(jìn)行倒角，建議倒角R1～R2，這樣可以避免存在一定的斷差后鑲塊的邊角處相對圓滑點(diǎn)，能最大程度地減少在成形時對制件的損傷。TD處理后的鑲塊回廠后，需要對鑲塊的安裝面進(jìn)行研合，安裝面的研合率至少要保證在90%以上，實(shí)際安裝后，應(yīng)保證鑲塊間的斷差在0.5mm以內(nèi)，以確保在生產(chǎn)的時候不會因斷差造成制件拉毛。

行李廂蓋外板模具表面處理實(shí)例

利用電鍍鉻技術(shù)對行李廂外板模具進(jìn)行表面處理。制件材料為DC04，料厚為0.7mm，失效問題為拉毛；模具材質(zhì)為GGG70L，形式為一體鑄造。圖2所示是電鍍鉻處理后的模具表面。

注意事項(xiàng)：在選定模具做電鍍鉻之前，要檢查模具凹模和壓邊圈的研合率，對有硬點(diǎn)的區(qū)域重新研合，消除硬點(diǎn)，因?yàn)榘辶显跊_壓成形時，硬點(diǎn)處摩擦力會比較大，會大大降低鍍鉻的使用壽命；檢查焊疤的焊接質(zhì)量；對于有焊接裂紋的，一定要重新補(bǔ)焊研合；在實(shí)際生產(chǎn)時，要做好對鍍層的保養(yǎng)工作，每次生產(chǎn)前都要對模具凹模進(jìn)行除塵，防止有異物在模具內(nèi)而導(dǎo)致鍍層損壞。

表1 幾種表面處理技術(shù)對比

圖1 前縱梁后部本體凹模PVD實(shí)例圖

圖2 行李廂蓋外板凹模鍍鉻實(shí)例圖

結(jié)束語

模具的表面強(qiáng)化處理工藝比較多，在實(shí)際選擇時，可以根據(jù)模具結(jié)構(gòu)（鑲塊式和一體鑄造式）來選擇不同的處理工藝。處理價格方面，一般TD和PVD處理比較昂貴，鍍鉻處理的價格要相對優(yōu)惠很多。若要是從使用壽命方面考慮，鍍鉻的使用壽命比較短，而TD處理的使用壽命是鍍鉻的好幾十倍。因此，怎樣選擇表面處理方式就要綜合考慮多方面的因素，選擇最適合自己的方法。