文/楊慶波·一汽轎車(chē)股份有限公司

汽車(chē)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(chē)股份有限公司

重點(diǎn)介紹TD處理工藝及汽車(chē)沖壓模具鑲塊TD處理的作用，分析汽車(chē)模具鑲塊TD處理前后變形大的原因，總結(jié)其解決措施。

簡(jiǎn)要介紹TD處理工藝

TD覆層處理是熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理（Thermal Diffusion Carbide Coating Process）的簡(jiǎn)稱(chēng)，日本稱(chēng)為豐田擴(kuò)散工藝，我國(guó)稱(chēng)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(guò)高溫（850～1050℃）擴(kuò)散作用于工件表面形成一層數(shù)微米至數(shù)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(fù)合碳化物。目前使用性能最高，應(yīng)用最廣泛的是碳化釩（VC）覆層。TD覆層處理的主要特點(diǎn)如下。

極高的硬度和極高的耐磨性能

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

表1 常見(jiàn)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(guò)程

不同的工件材料及不同的使用場(chǎng)合TD覆層處理的工藝有一些差別，但其基本過(guò)程都是將預(yù)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(shí)，在工件表面形成覆層后，根據(jù)工件的材料或要求選擇適當(dāng)方式冷卻（一般是淬火過(guò)程，也有不少例外），并進(jìn)行一些相應(yīng)的后續(xù)處理（如回火、清理、尺寸調(diào)整和拋光等）。

TD覆層處理技術(shù)主要性能指標(biāo)及特點(diǎn)

(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(jié)合。

(5）可以重復(fù)處理。

TD覆層處理技術(shù)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(lèi)鋼鐵材料，硬質(zhì)合金等，都可以在工件表面形成覆層。根據(jù)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(shù)應(yīng)用范圍：解決或改善一些問(wèn)題

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

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

采用TD覆層處理的主要效益

(1）就成形類(lèi)模具而言，由于解決了模具表面的拉傷問(wèn)題，帶來(lái)的好處是：生產(chǎn)中無(wú)需經(jīng)常停機(jī)修復(fù)，大幅度提高了生產(chǎn)效率，改善了產(chǎn)品的外觀(guān)質(zhì)量。

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

(3）摩擦系數(shù)降低，抗咬合性能大幅度提高，無(wú)須潤(rùn)滑或減少潤(rùn)滑或無(wú)須采用高級(jí)潤(rùn)滑產(chǎn)品。

采用TD覆層處理技術(shù)的有關(guān)注意事項(xiàng)

TD覆層處理溫度是850～1050℃，是一種高溫處理過(guò)程，處理過(guò)程中必然會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力；對(duì)于鋼鐵材料而言一般都還會(huì)有相變過(guò)程，相變的結(jié)果會(huì)形成相變應(yīng)力和工件比容的變化。熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、比容的變化都會(huì)使工件產(chǎn)生變形甚至開(kāi)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(shù)能否成功應(yīng)用的關(guān)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(kāi)裂現(xiàn)象。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，要用好該技術(shù)除需要專(zhuān)業(yè)的指導(dǎo)以外還必須特別注意以下問(wèn)題：

(1）材料要求：對(duì)于各類(lèi)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(shí)際上目前該技術(shù)在模具上應(yīng)用最多的也是此類(lèi)材料；須說(shuō)明的是，目前國(guó)產(chǎn)模具鋼材質(zhì)量參差不齊，要是用國(guó)產(chǎn)的鋼材，建議用品質(zhì)優(yōu)良的鋼材，否則容易出現(xiàn)變形超差的問(wèn)題；對(duì)于各類(lèi)耐磨零件須根據(jù)具體使用工況選擇合適的材料。

(2）焊補(bǔ)問(wèn)題：在模具或工件加工過(guò)程中，由于各種因素的影響，有可能需要焊補(bǔ)。焊補(bǔ)過(guò)的模具或工件如要進(jìn)行TD覆層處理，對(duì)焊補(bǔ)材料和焊接方法有要求，原則是焊補(bǔ)過(guò)后可以進(jìn)行正常的淬火回火等熱處理并保證在焊補(bǔ)處不出現(xiàn)裂紋；否則，TD覆層處理后的工件難以保證不出現(xiàn)裂紋。

(3）設(shè)計(jì)方面：截面急劇變化或內(nèi)部有尖角的鋼件，熱處理過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的內(nèi)部應(yīng)力，使工件容易變形或開(kāi)裂。所以TD覆層處理的工件設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免截面急劇變化和有內(nèi)尖角的結(jié)構(gòu)。

(4）熱處理：工件的熱處理狀況對(duì)后續(xù)熱處理變形量有重要影響。

(5）TD覆層處理的工件如已做過(guò)其他表面處理，如各類(lèi)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(huì)影響TD覆層的表面質(zhì)量。

TD處理工藝在汽車(chē)模具上的應(yīng)用

每輛汽車(chē)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(guò)程中，很容易造成工件表面的拉傷。汽車(chē)底盤(pán)、梁類(lèi)零件往往采用較厚的高強(qiáng)板，出于安全和節(jié)能的考慮，越來(lái)越多地使用高強(qiáng)板，無(wú)論厚板還是高強(qiáng)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(yán)重，此時(shí)如繼續(xù)生產(chǎn)，模具與工件表面質(zhì)量進(jìn)一步惡化，工件可能會(huì)出現(xiàn)拉裂。解決的方法通常是停機(jī)對(duì)模具表面進(jìn)行修磨、拋光，如此反復(fù)修磨使模具尺寸發(fā)生變化。拉傷問(wèn)題的出現(xiàn)難以滿(mǎn)足批量連續(xù)生產(chǎn)的要求，降低生產(chǎn)效率，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，降低模具壽命和被加工產(chǎn)品尺寸的一致性，影響了產(chǎn)品的外觀(guān)，降低了產(chǎn)品質(zhì)量。

模具表面處理方面，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，比較常見(jiàn)的是各類(lèi)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(huì)出現(xiàn)。此外，鍍硬鉻的鍍層與模具母材機(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。所以滲氮和鍍硬鉻在汽車(chē)覆蓋件模具上雖然有應(yīng)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(dá)2000～3000HV，甚至更高，因而也具有優(yōu)異的耐磨性能，只是鍍層與母材結(jié)合力較差，在拉深類(lèi)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)根本就無(wú)效果，這類(lèi)工藝在成形模具上應(yīng)用也很有限。

實(shí)踐證明，目前解決成形模具表面拉傷問(wèn)題最有效、最經(jīng)濟(jì)的處理方法是TD覆層處理。

汽車(chē)模具鑲塊TD處理工藝在模具生產(chǎn)中遇到的技術(shù)難題

由于汽車(chē)模具鑲塊TD處理后，已經(jīng)無(wú)法對(duì)汽車(chē)模具鑲塊的型面進(jìn)行研磨，汽車(chē)模具鑲塊TD處理前后汽車(chē)沖壓件發(fā)生變化成為制約汽車(chē)模具生產(chǎn)的一個(gè)重大技術(shù)難題，主要原因是鑲塊TD處理后發(fā)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(nèi)部組織的類(lèi)型及數(shù)量發(fā)生變化，而每一種相結(jié)構(gòu)的比容不同，導(dǎo)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(huì)留下壓痕，嚴(yán)重時(shí)模具鑲塊報(bào)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(guò)對(duì)材料及原有熱處理?xiàng)l件進(jìn)行充分了解，采用一系列改變相結(jié)構(gòu)及數(shù)量的方法，對(duì)此類(lèi)變形進(jìn)行有效地調(diào)整。模具鑲塊的變形是在TD處理的加熱和冷卻過(guò)程中，鑲塊內(nèi)應(yīng)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(xiàn)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(jīng)過(guò)研配，鑲塊間接縫明顯，用這種模具生產(chǎn)的沖壓件上有明顯的壓痕，嚴(yán)重時(shí)不能生產(chǎn)。

(2）鑲塊邊緣凸起：此種變形容易發(fā)生，解決方法可以在鑲塊邊緣倒角，以克服鑲塊邊緣凸起對(duì)沖壓件的切割，損害沖壓件的強(qiáng)度和外觀(guān)，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(shí)踐中比較常見(jiàn)，其危害是：如不對(duì)鑲塊進(jìn)行研配，工作時(shí)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(yīng)力，嚴(yán)重時(shí)鑲塊被壓開(kāi)裂，所以一般對(duì)于模具的配合面需要研平，由此帶來(lái)的問(wèn)題是：由許多鑲塊組合的模具因各鑲塊的研磨量不同，帶來(lái)鑲塊接縫處的高低差，也會(huì)在沖壓件上留下壓痕。