RNT納米涂層技術在沖壓模具上的應用

文/何成，朱梅云，杜長勝·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

RNT納米涂層技術在沖壓模具上的應用

文/何成，朱梅云，杜長勝·安徽江淮汽車股份有限公司技術中心

本文對RNT納米涂層技術在沖壓模具上的應用及影響進行了分析和驗證，并通過現場驗證，表明RNT納米涂層技術的使用有利于提高模具硬度、減少修模次數，消除沖壓成形過程中的拉毛、破裂等沖壓成形缺陷，最終達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、現場調試及驗收等工作，參與RNT涂層技術的應用、跟蹤及前期對接，擁有三項實用新型技術專利。

隨國家對汽車節能降耗的硬性要求，汽車車身輕量化是實現汽車節油降耗的重要途徑。而高強度鋼板的應用則是實現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，導致成形過程中拉毛缺陷越來越多，拉毛現象是一種嚴重的質量缺陷，致使車身性能降低，拉毛現象也降低了沖壓工藝的穩定性，致使廢品率上升，同時拉毛缺陷又令模具發生更嚴重的磨損，降低模具壽命，增加修模次數。

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

現有的模具表面處理技術

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簡單且大多采用普通鋼板，鋼材的抗拉強度不高、延展性較好，對模具的整體要求并不太高，模具大多采用整體結構，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，當表面硬化層磨損后拉傷又會出現。此外，鍍硬鉻的鍍層與模具母材是機械結合，在成形壓力較大時容易脫落，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用，但效果有限。

內板件/結構件成形——冷沖壓成形模具表面處理

內板件工件形狀比較復雜且越來越多地使用高強度鋼板，因此這類制件對模具的整體性能要求更高，模具通常采用鑲拼結構，鑲塊的表面處理國內目前大多采用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2000～3000HV，甚至更高，因而具有優異的耐磨性能，但鍍層與基體結合力較差，在拉深類模具上使用時很容易使鍍層脫落，發揮不出其抗拉傷和耐磨效果，有時甚至無效果。另一缺點是鍍層厚度通常只有3～5μm，相對于硬度最高也不過600～700HV的模具基材，無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，就會因蛋白本身太軟，不足以負擔大的載荷而產生塑性變形從而導致蛋殼的破裂，我們稱之為“蛋殼效應”，因此，這類工藝在成形模具上的應用也很有限。

TD覆層處理后的模具表面具有高硬度、低摩擦系數，模具的抗腐蝕性、抗氧化性也大幅度提高，其缺點在于，TD覆層處理對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程擴散形成碳化物層，因此當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℃，是一種高溫處理過程，其間產生的熱應力、相變應力、比容的變化會使模具在熱處理過程中容易產生變形甚至開裂，一般修補過的模具在焊縫處也會出現開裂現象，TD覆層處理對模具的加工質量和形狀有很高的要求；此外，TD覆層處理后再加工困難，無法滿足設計變更及調模修模的需要，對已做過其他表面處理的模具，需將原表面處理徹底清除，否則會影響TD覆層表面質量，同時，受TD處理設備和成本的限制，國內大部分TD加工企業只能加工500mm×1000mm以內的模具，超過這個尺寸的設備條件無法滿足，因此，對于尺寸偏大的模具，必須是分鑲塊結構才能處理。所以，這類工藝在成形模具上應用也很有限。

目前，對于徹底解決汽車覆蓋件沖壓成形過程中的工件拉毛問題還沒有一個行之有效的解決方法，鍍硬鉻、滲氮、PVD及TD在實際運用中都有其弊端。RNT納米涂層技術的出現為解決拉毛問題提供了一條新的途徑。

RNT涂層技術的應用

RNT納米涂層技術是納米粒子滲透法復合碳化物處理技術，簡稱RNT技術。其工作原理是將RNT涂層液對模具型腔進行涂覆后，通過壓力使涂層納米分子擴散并作用于模具表面形成納米金屬碳化物覆層，其過程由內向外擴展，厚度與硬度隨模具工作時間的增加而增加，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也不會因基材塑性變形而導致表面的涂覆層脫落失效，其厚度與硬度由內至外隨模具工作時間與涂覆次數的增加而增加。

為驗證該技術應用的有效性和可行性，江淮汽車沖壓車間對該技術進行了多輪現場工藝驗證，經過2次硬度試驗，2次配方調整，4次脫脂試驗，2次涂覆方式調整，試驗結果表明納米涂層技術應用成本較低（約為模具TD技術的1/10），試驗效果良好。

硬度驗證

為驗證RNT對模具表面硬度的提高程度，我們做了一些試模試驗。某車型左右內上加強板（材料為DC05）拉延模，對模具表面用RNT材料進行處理，試驗產品數量為716件，最后選取模具上四個點進行測試，測試前后硬度變化如表1所示。

表1 硬度試驗結果

該試驗結果表明，RNT對模具表面硬度有一定的提升效果。

脫脂驗證

產品的涂裝脫脂驗證主要分為板料涂覆驗證和模具涂覆驗證兩種形式。

第一輪進行板料涂覆驗證，將RNT材料涂覆在板料上進行脫脂試驗。試驗流程：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進行脫脂。最后觀察脫脂結果，發現試板水膜覆蓋率未達到標準要求，不能滿足生產要求。

第二輪模具涂覆驗證，將RNT涂層材料涂覆在模具表面，然后生產沖壓件，再取打好的沖壓件，將涂覆位置切割下來進行脫脂驗證。驗證使用江淮汽車實際生產中的脫脂液進行脫脂試驗，模擬現場脫脂工藝，首先進行預脫脂，脫脂液溫度為45～50℃，采用噴淋方式，噴淋時間為1min；然后進行主脫脂，脫脂液溫度為45～50℃，采用浸入方式，浸入時間以樣板表面完全脫脂為止，最后用水沖洗。試驗表明，先1min預脫脂，再經1.5min主脫脂試驗，最后去離子水沖洗，結果沖洗試板表面水膜連續，滿足生產要求。

現場驗證

證實RNT材料涂覆在模具上可以滿足生產要求后，我們對該技術進行了多輪現場工藝驗證，主要驗證主機廠和外協廠生產中一直存在拉毛問題的沖壓件。

驗證一：實驗對象為某車型尾門外板，該工件以往每生產50件左右模具翻邊處就會出現拉毛并逐漸嚴重，生產至250件左右出現廢品，導致生產線停機，跟線的模修人員必須卸下模具鑲塊，進行修模處理，每次耗時約30min。測試時將RNT納米涂層涂覆于易拉毛鑲塊R角翻邊處，用時3min，涂覆結束生產線即開始進行生產，期間利用換料停機時間，進行RNT加強涂覆處理，用時1min，直至1600件生產完成，未有拉毛現象出現，完全達到了預期測試目的。圖1a、b分別為翻邊處使用RNT涂層前后的產品表面對比情況。

圖1 翻邊處使用RNT前后結果對比

驗證二：本次選取的前邊構件連接板加強件是江淮某配套企業的難點件，板料為2.5mm高強鋼板，往常每生產2～3件工件時，即開始出現拉毛，生產至20～30件時即需停機進行線上修模，嚴重影響生產效率和產品質量。試驗中對該工件R角進行拋光、清潔、涂覆RNT涂層之后進行無油化生產，板件不再涂覆沖壓油，生產間隙對易拉毛部位R角進行二次加強涂覆，直至該批次500件生產完成未發現不合格件。圖2a、b分別為連接板加強件使用RNT涂層前后的產品表面對比情況。

圖2 連接板加強件使用RNT前后結果對比

RNT涂層技術總結

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

⑵由于RNT涂覆層的形成是由基材內部向外部逐步擴散而形成表面堅硬層，對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也不會因基材塑性變形而導致表面的涂覆層脫落失效。

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

⑷RNT涂層最大的優勢還在于模具可以隨時隨地進行涂覆處理，能夠在形狀復雜的工件上覆膜，膜層沉積速率快，生產效率高，免去了大型模具做表面處理需要吊裝、長途運輸而帶來的困擾和高昂費用，節約大量時間。

⑸模具表面無論是在RNT處理之前或之后都可以燒焊及局部覆層，滿足設計變更及調模修模的需要。

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）、膜層的熱穩定性好(600℃時膜層不脫落，不起皮）。

⑺RNT涂層的摩擦系數僅為0.001，是當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涂層還具有超強的防腐性和卓越的抗氧化性能。

⑼涂層過程中無環境污染，對人體完全無害，操作安全。

結束語

伴隨著新沖壓材料的使用和消費者對產品質量的重視，表面涂層處理技術在汽車覆蓋件模具行業得到了越來越廣泛的應用，如何在提高產品質量的同時降低成本，是行業的永恒追求。RNT納米涂層技術的應用既能夠提高模具硬度，有效解決拉毛問題，提高生產效率，又能降低生產成本，成為目前涂層技術中最新、最先進的金屬表面處理技術之一，必將在行業內得到廣泛應用和推廣。