汽车冲压模具表面强化技术

文/章爽滨·奇瑞汽车股份有限公司制造工程院

汽车冲压模具表面强化技术

文/章爽滨·奇瑞汽车股份有限公司制造工程院

随着汽车行业的发展，客户对汽车安全性能的要求越来越高，这样就促使了厂家大范围的使用高强度和超高强度的钢材，但是由于目前用的模具钢本身强度及模具生产制造工艺的原因，无法满足高强度和超高强度钢零件的批量生产，中国目前常用的模具材料为Cr12、Cr12MoV，最高硬度能达到（60±2）HRC，在实际生产中会出现镶块表面磨损失效产生拉毛而无法批量生产，为此合理的表面强化技术就显得尤为重要了。

冲压模具传统的强化处理技术

模具热处理及表面强化是模具制造中的关键工艺之一，直接关系到模具的制造精度、力学性能、使用寿命以及制造成本，是保证模具质量和使用寿命的重要环节。在实际生产中，由于热处理不当所引起的模具失效居所有失效类型的首位。在模具设计制造过程中，若能正确选用钢材，选择合理的热处理及表面强化技术工艺，对充分发挥材料的潜在性能、减少能耗、降低成本、提高模具的质量和使用寿命都将起到重大的作用。当前模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术和模具的表面强化技术。

汽车冲压模具表面强化处理技术介绍

目前冲压模具表面强化处理技术应用比较广泛的大致有TD、CVD、PVD、镀铬以及超音速喷涂，模具表面强化处理技术能够使模具材料拥有更好的性能，主要体现在有较好的耐磨性、抗粘附性、抗热咬合性、耐热疲劳及耐腐蚀性等等，较原材料性能有很大的提升。

⑴TD处理技术是由日本丰田中央研究所开发的，因此也称为丰田扩散法，是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行表面强化处理技术的总称。过去有些文献将TD处理称为渗金属处理，而实际应用最为广泛的是熔化浸镀法(或称熔盐浸渍法、盐浴沉积法)在模具表面形成VC，NbC，Cr23C6-Cr7C3等碳化物超硬层的方法。经TD法处理的模具表面形成5～15μm厚的VC等薄膜，可显著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗粘着性和耐蚀性等，从而大大提高了模具的使用寿命。

TD处理技术在使材料有更好的性能的同时，也存在一个问题，就是TD处理会引起模具镶块发生形状和尺寸的变化。由于TD法处理温度接近于钢的淬火温度，对于精度要求严格的工件，要特别注意防止变形，此时可以采取适当的措施将变形控制到最小值，比如选用淬透性良好的钢种作为基体材料，对精密的工件预先进行淬火、回火，采用低温处理、高温回火来调整残余奥氏体量等。

⑵CVD即化学气相沉积，是指在一定的温度条件下，混合气体与基体表面相互作用，使混合气体中的某些成分分解，并在基体表面形成金属或化合物等的固态膜或镀层。

CVD法具有如下特点：可在大气或低于大气压下进行沉积金属、合金、陶瓷和化合物涂层，能在形状复杂的基体上或颗粒材料上沉积涂层。涂层的化学成分和结构较易准确控制，也可制备具有成分梯度的涂层。涂层与基体的结合力高，设备简单操作方便，但它的处理温度一般为900～1200℃，工件被加热到如此高的温度会产生变形及内部组织变化。

⑶PVD即物理气相沉积技术，是指在真空条件下，用物理的方法，将材料汽化成原子、分子或使其电离成离子，并通过气相过程，在材料或工件表面沉积一层具有某些特殊性能的薄膜技术。

PVD法的特点之一是沉积温度低于600℃，它可在工具钢和模具钢的高温回火温度以下进行表面处理，故变形小，最适合尺寸形状精密的模具。可不改变传统的制造工艺，仅仅在最终加工后进行一次处理，但不能用于低温回火材料。PVD法的主要问题是：涂层与基体间的结合强度较低，对于冷作模具，由于沉积层发生早期剥离而出现无效果的情况；另外由于涂镀性能不好，还存在着难以适用于复杂形状模具的特点，必须进行装置上的一些改进，如采用多个蒸发源和被处理零件绕蒸发源旋转等措施。

⑷电镀（镀铬）技术一般适用于一体铸造的模具，将即将电镀的模具作为阴极，置于六价铬的电镀镀液中，使模具表面生成镀层。其中温度、电流密度和镀液的成分影响镀层的性能和电流效率。因此，为了得到所需的沉积性能和电镀速率，就要对这些参数进行严格控制。

汽车冲压模具表面强化处理对比

对上述几种常用的表面处理技术特性，分别从膜的种类、表膜的硬度以及膜厚等方面进行比较和总结，希望对同行业的冷作模具表面处理有个参考，见表1。

随着汽车行业的发展，高强度钢以及超高强度钢的广泛使用，中国冷作模具目前常用的模具材料Cr12、Cr12MoV越来越难满足高强度钢材的深拉深的成形工艺，制件拉毛以及模具本体的拉伤，使得冷作模具生产时效率极低且生产报废率也极高。表1对目前相对比较成熟的表面处理技术做了个简单的介绍，目前使用较多的有TD处理和电镀铬（Cr）表面处理多运用于冷作模具的成形类模具，例如拉深模（DR、FO），整形模（RST、CRST）以及翻边模（FL、CFL）。

应用实例

下面用实际案例对冷作模具常用的一些表面处理技术加以介绍。

前纵梁模具表面处理实例

如图1所示，利用PVD技术对前纵梁后部本体拉延镶块式模具进行表面处理。制件材料为SAPH440的酸洗钢，料厚为2.0mm；失效问题是拉毛掉肉，模具镶块材质为Cr12MoV。

注意事项：在PVD处理前对模具本体的镶块拼接处进行倒角，建议倒角R1～R2，这样可以避免存在一定的断差后镶块的边角处相对圆滑点，能最大程度地减少在成形时对制件的损伤。TD处理后的镶块回厂后，需要对镶块的安装面进行研合，安装面的研合率至少要保证在90%以上，实际安装后，应保证镶块间的断差在0.5mm以内，以确保在生产的时候不会因断差造成制件拉毛。

行李厢盖外板模具表面处理实例

利用电镀铬技术对行李厢外板模具进行表面处理。制件材料为DC04，料厚为0.7mm，失效问题为拉毛；模具材质为GGG70L，形式为一体铸造。图2所示是电镀铬处理后的模具表面。

注意事项：在选定模具做电镀铬之前，要检查模具凹模和压边圈的研合率，对有硬点的区域重新研合，消除硬点，因为板料在冲压成形时，硬点处摩擦力会比较大，会大大降低镀铬的使用寿命；检查焊疤的焊接质量；对于有焊接裂纹的，一定要重新补焊研合；在实际生产时，要做好对镀层的保养工作，每次生产前都要对模具凹模进行除尘，防止有异物在模具内而导致镀层损坏。

表1 几种表面处理技术对比

图1 前纵梁后部本体凹模PVD实例图

图2 行李厢盖外板凹模镀铬实例图

结束语

模具的表面强化处理工艺比较多，在实际选择时，可以根据模具结构（镶块式和一体铸造式）来选择不同的处理工艺。处理价格方面，一般TD和PVD处理比较昂贵，镀铬处理的价格要相对优惠很多。若要是从使用寿命方面考虑，镀铬的使用寿命比较短，而TD处理的使用寿命是镀铬的好几十倍。因此，怎样选择表面处理方式就要综合考虑多方面的因素，选择最适合自己的方法。