汽車模具鑲塊TD處理后變形造成的影響及解決措施

文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

汽車模具鑲塊TD處理后變形造成的影響及解決措施

文/楊慶波·一汽轎車股份有限公司

重點介紹TD處理工藝及汽車沖壓模具鑲塊TD處理的作用，分析汽車模具鑲塊TD處理前后變形大的原因，總結其解決措施。

簡要介紹TD處理工藝

TD覆層處理是熱擴散法碳化物覆層處理（Thermal Diffusion Carbide Coating Process）的簡稱，日本稱為豐田擴散工藝，我國稱作熔鹽滲金屬工藝。其原理都是將工件置于硼砂熔鹽混合物中，通過高溫（850～1050℃）擴散作用于工件表面形成一層數微米至數十微米的金屬碳化物覆層，該碳化物覆層可以是釩、鈮、鉻的碳化物，也可以是其復合碳化物。目前使用性能最高，應用最廣泛的是碳化釩（VC）覆層。TD覆層處理的主要特點如下。

極高的硬度和極高的耐磨性能

碳化釩覆層HV可達2800～3200，遠高于氮化和鍍硬鉻，因而具有遠高于這些表面處理的耐磨，抗拉傷，耐蝕等性能。表1為常見的一些材料和表面處理硬度（HV）比較表。

表1 常見的一些材料和表面處理硬度（HV）比較表

TD覆層處理的工藝過程

不同的工件材料及不同的使用場合TD覆層處理的工藝有一些差別，但其基本過程都是將預制好的工件放入硼砂混合物中，在850～1050℃的溫度下保溫2～12小時，在工件表面形成覆層后，根據工件的材料或要求選擇適當方式冷卻（一般是淬火過程，也有不少例外），并進行一些相應的后續處理（如回火、清理、尺寸調整和拋光等）。

TD覆層處理技術主要性能指標及特點

(1）TD覆層表面硬度：2800～3200HV，具有極高的耐磨，抗拉傷性能。

(2）TD覆層厚度：4～20μm，覆層致密光滑。

(3）極高的耐蝕性能。

(4）覆層與母材冶金結合。

(5）可以重復處理。

TD覆層處理技術適用材料

只要工件的材料含有一定量的碳，如含碳量大于0.3%的各類鋼鐵材料，硬質合金等，都可以在工件表面形成覆層。根據使用條件的不同，要獲得良好的使用效果，材料的選擇頗有講究。

TD覆層處理技術應用范圍：解決或改善一些問題

(1）各類磨損引起的模具與工件或工件與工件之間的拉傷、粘附問題，TD覆層處理是目前解決此類問題最好的方法之一。

(2）因磨損而引起的工件尺寸超差等問題，通過TD覆層處理后，可提高使用壽命數倍至數十倍。

采用TD覆層處理的主要效益

(1）就成形類模具而言，由于解決了模具表面的拉傷問題，帶來的好處是：生產中無需經常停機修復，大幅度提高了生產效率，改善了產品的外觀質量。

(2）模具的壽命大幅度提高，節約成本，提高了被加工產品尺寸的一致性，提升了產品的質量。

(3）摩擦系數降低，抗咬合性能大幅度提高，無須潤滑或減少潤滑或無須采用高級潤滑產品。

采用TD覆層處理技術的有關注意事項

TD覆層處理溫度是850～1050℃，是一種高溫處理過程，處理過程中必然會產生熱應力；對于鋼鐵材料而言一般都還會有相變過程，相變的結果會形成相變應力和工件比容的變化。熱應力、相變應力、比容的變化都會使工件產生變形甚至開裂。一般TD覆層處理是模具的最終加工工序，處理后不容許再加工，所以TD覆層處理技術能否成功應用的關鍵：第一是形成合格的表面覆層；第二是盡量減小工件的變形，并杜絕開裂現象。根據經驗，要用好該技術除需要專業的指導以外還必須特別注意以下問題：

(1）材料要求：對于各類模具，須采用熱處理微變形鋼。一般推薦SKD11、Cr12MoV等高鉻模具鋼，實際上目前該技術在模具上應用最多的也是此類材料；須說明的是，目前國產模具鋼材質量參差不齊，要是用國產的鋼材，建議用品質優良的鋼材，否則容易出現變形超差的問題；對于各類耐磨零件須根據具體使用工況選擇合適的材料。

(2）焊補問題：在模具或工件加工過程中，由于各種因素的影響，有可能需要焊補。焊補過的模具或工件如要進行TD覆層處理，對焊補材料和焊接方法有要求，原則是焊補過后可以進行正常的淬火回火等熱處理并保證在焊補處不出現裂紋；否則，TD覆層處理后的工件難以保證不出現裂紋。

(3）設計方面：截面急劇變化或內部有尖角的鋼件，熱處理過程中會產生很大的內部應力，使工件容易變形或開裂。所以TD覆層處理的工件設計時要盡量避免截面急劇變化和有內尖角的結構。

(4）熱處理：工件的熱處理狀況對后續熱處理變形量有重要影響。

(5）TD覆層處理的工件如已做過其他表面處理，如各類滲氮、滲硼、鍍硬鉻和PVD沉積等，需將原表面處理層徹底清除，否則會影響TD覆層的表面質量。

TD處理工藝在汽車模具上的應用

每輛汽車都含有大量沖壓件，沖壓件由模具沖壓成形。工件在拉深、彎曲、翻邊等成形過程中，很容易造成工件表面的拉傷。汽車底盤、梁類零件往往采用較厚的高強板，出于安全和節能的考慮，越來越多地使用高強板，無論厚板還是高強度鋼板，其沖壓成形的模具都要承受極高的成形壓力，工件表面和模具表面拉傷嚴重，此時如繼續生產，模具與工件表面質量進一步惡化，工件可能會出現拉裂。解決的方法通常是停機對模具表面進行修磨、拋光，如此反復修磨使模具尺寸發生變化。拉傷問題的出現難以滿足批量連續生產的要求，降低生產效率，增加勞動強度，降低模具壽命和被加工產品尺寸的一致性，影響了產品的外觀，降低了產品質量。

模具表面處理方面，目前國內應用較多，比較常見的是各類滲氮和鍍硬鉻工藝，這兩種表面處理方法的抗拉傷性能較好，但表面硬化效果有限，HV僅有1000左右，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。所以滲氮和鍍硬鉻在汽車覆蓋件模具上雖然有應用，但其效果有限。PVD或PCVD的鍍層（如鍍鈦層）也具有良好的抗拉傷性能，由于鍍層硬度可以高達2000～3000HV，甚至更高，因而也具有優異的耐磨性能，只是鍍層與母材結合力較差，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，有時根本就無效果，這類工藝在成形模具上應用也很有限。

實踐證明，目前解決成形模具表面拉傷問題最有效、最經濟的處理方法是TD覆層處理。

汽車模具鑲塊TD處理工藝在模具生產中遇到的技術難題

由于汽車模具鑲塊TD處理后，已經無法對汽車模具鑲塊的型面進行研磨，汽車模具鑲塊TD處理前后汽車沖壓件發生變化成為制約汽車模具生產的一個重大技術難題，主要原因是鑲塊TD處理后發生變形，變形主要有以下兩種形式：

第一種：模具鑲塊整體收縮或膨脹（體積變形）；此種變形的根本原因是TD處理前后模具鋼材內部組織的類型及數量發生變化，而每一種相結構的比容不同，導致鑲塊TD處理后體積膨脹或收縮。

(1）鑲塊收縮，鑲塊間的接縫加大，工件表面會留下壓痕，嚴重時模具鑲塊報廢。

(2）鑲塊膨脹，為裝配鑲塊研磨量加大。

第二種：鑲塊形狀變形（畸形變形）。通過對材料及原有熱處理條件進行充分了解，采用一系列改變相結構及數量的方法，對此類變形進行有效地調整。模具鑲塊的變形是在TD處理的加熱和冷卻過程中，鑲塊內應力及材料的各向異性所引起，此種變形不可逆，危害比較大，具體表現是鑲塊的扭曲或彎曲，或鑲塊邊緣凸起，或鑲塊與模座的支撐面變成凹凸不平或上述幾種變形的組合。

(1）鑲塊的扭曲或彎曲：往往不容易矯正，雖然經過研配，鑲塊間接縫明顯，用這種模具生產的沖壓件上有明顯的壓痕，嚴重時不能生產。

(2）鑲塊邊緣凸起：此種變形容易發生，解決方法可以在鑲塊邊緣倒角，以克服鑲塊邊緣凸起對沖壓件的切割，損害沖壓件的強度和外觀，但這樣處理必然在沖壓件上留下壓痕。

(3）鑲塊與模座的支撐面變成凹凸不平：TD處理后的鑲塊與模座平面變成凹凸不平，此種情況實踐中比較常見，其危害是：如不對鑲塊進行研配，工作時鑲塊與模座的配合面受力不均勻，容易使鑲塊受很大的拉應力，嚴重時鑲塊被壓開裂，所以一般對于模具的配合面需要研平，由此帶來的問題是：由許多鑲塊組合的模具因各鑲塊的研磨量不同，帶來鑲塊接縫處的高低差，也會在沖壓件上留下壓痕。