TD覆層處理工藝及其在汽車沖壓成形模上的應(yīng)用

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1、TD覆層處?理工藝及其?在汽車沖壓?成形模上的?應(yīng)用(2007/10/12) ? 作者：彭智虎 （長(zhǎng)沙特耐金?屬材料科技?有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 41001?1） 模具工業(yè) 2007年?第33卷第?9期（62~64） ? 摘要：介紹了TD?覆層處理工?藝，分析了汽車?沖壓成形類?模具表面拉?傷問題及其?解決方法，結(jié)合實(shí)例說?明了TD覆?層處理在此?類模具上的?應(yīng)用效果，指出了采用?該工藝應(yīng)用?上了一些注?意事項(xiàng)。 關(guān)鍵詞：TD覆層；汽車；模具壽命；拉傷 中圖分類號(hào)?;TG17 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?：B 文章編號(hào);1001-2168(2007)09-0062-03 Appli?cati

2、o?n of TD cladd?ing techn?ology? in stamp?ing formi?ng die for autom?otive? PENG Zhi-hu (Chang?sha Topwe?llwea?r Metal? Mater?ial Scien?ce Co., Ltd, Chang?sha, Hunan? 41001?1, China?) Abstr?act: The TD cladd?ing proce?ssing? techn?ology? was state?d. The pull scuff?ing probl?em in the surfa?ce of

3、 stamp?ing formi?ng dies for autom?obile?s, and the solut?ion were analy?zed. The appli?catio?n effec?t of TD cladd?ing techn?ology? on the dies surfa?ce was illus?trate?d. The preca?ution?s in apply?ing the techn?ology? were prese?nted as well. Key words?:TD cladd?ing; autom?obile?; servi?ce life

4、of die; pull scuff?ing 1 引言 TD覆層處?理是熱擴(kuò)散?法碳化物覆?層處理（therm?al diffu?sion carbi?de coati?ng proce?ss）的簡(jiǎn)稱。該工藝由日?本豐田中央?研究所于7?0年代首先?研制成功并?申請(qǐng)專利，簡(jiǎn)稱TD處?理。我國(guó)也稱作?熔鹽滲金屬?，其原理是將?工件置于熔?融硼砂混合?物中，通過高溫?cái)U(kuò)?散作用于工?件表面形成?金屬碳化物?覆層，該碳化物覆?層可以是釩?、鈮、鉻等元素的?碳化物，也可以是其?復(fù)合碳化物?，目前應(yīng)用最?廣泛的是碳?化釩覆層。碳化釩覆層?的主要特點(diǎn)?是; (1)??? 覆層硬度高?，可達(dá)280?0~

5、3200H?V，遠(yuǎn)高于滲氮?和鍍硬鉻（見表1），具有良好的?表面耐磨、抗拉傷、耐腐蝕等性?能。 表1 幾種表面處?理及材料硬?度比較 工藝 滲氮 鍍硬鉻、化學(xué)鍍Ni?P PVD、PCVD 硬質(zhì)合金（鎢鋼） TD覆層處?理 硬度/HV ~1200 1000 2000~3000 1200~3000 2800~3200 ? (2)??? TD覆層是?通過擴(kuò)散形?成的，覆層與基體?具有冶金結(jié)?合，覆層與基體?的結(jié)合力較?鍍硬鉻和P?VD或PC?VD的鍍層?（如鍍鈦層）高得多，使用中不會(huì)?脫落，這對(duì)在成形?模上的應(yīng)用?極其重要。 大量的實(shí)踐?證明，TD覆層處?理是目前避?

6、免沖壓成形?零件與模具?拉傷問題經(jīng)?濟(jì)而最有效?的方法之一?，并可提高模?具壽命數(shù)倍?至數(shù)十倍，極具使用價(jià)?值。 TD覆層處?理工藝從8?0年代開始?陸續(xù)由日本?引入世界上?許多國(guó)家，由于各國(guó)的?國(guó)情不同，有些國(guó)家用?的很成功，也有些國(guó)家?應(yīng)用失敗。該類工藝在?日本、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)都?已得到了廣?泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)70年?代即已開始?研究此工藝?，到目前已有?數(shù)十家單位?對(duì)該工藝進(jìn)?行過研究，發(fā)表文章數(shù)?百篇，專利數(shù)項(xiàng)。實(shí)際上此工?藝我國(guó)在8?0年代中期?就開始起草?了工藝標(biāo)準(zhǔn)?，即：JB/T4218?-1994硼?砂熔鹽滲金?屬，該標(biāo)準(zhǔn)于1?994年1?0月25日?批準(zhǔn)。但這些研究?成果大多沒

7、?有經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)?間生產(chǎn)實(shí)踐?的考驗(yàn)，應(yīng)用中總是?存在這樣或?那樣的問題?，所以從70?年代至90?年代，盡管研究的?人很多，但沒有一家?專業(yè)從事該?工藝加工的?廠家。 筆者從19?91年開始?該工藝的研?究，經(jīng)過多年的?研究和應(yīng)用?探索，從1997?年開始成功?應(yīng)用到各類?模具上，并于200?1年開始在?國(guó)內(nèi)成立了?專業(yè)從事該?工藝加工業(yè)?務(wù)的公司。多年來，已為數(shù)百家?企業(yè)提供了?TD覆層處?理加工服務(wù)?，并成功應(yīng)用?到汽車、家電、五金、制管、冶金等行業(yè)?的拉伸、彎曲、翻邊、輥壓成形、冷鐓、沖裁、粉末冶金等?類模具和一?些零部件上?，很大程度解?決了工件表?面拉傷問題?，大幅提高模?具工作零件

8、?的使用壽命?，取得了優(yōu)異?的使用效果?，也積累了豐?富的實(shí)踐經(jīng)?驗(yàn)。 以下介紹T?D覆層處理?工藝在汽車?配件沖壓成?形模上的應(yīng)?用及有關(guān)注?意事項(xiàng)。 2 TD覆層處?理工藝在汽?車模具上的?應(yīng)用 2.1 汽車沖壓成?形模的拉傷?及其解決方?法 每輛汽車都?含有大量的?沖壓件，沖壓件由模?具沖壓成形?。工件在拉深?、彎曲、翻邊、輥壓等成形?過程中，很容易造成?工件表面的?拉傷。汽車底盤、梁類零件往?往由較厚的?鋼板制造，出于安全和?節(jié)能的考慮?，越來越多地?使用高強(qiáng)度?鋼板，無論厚板還?是高強(qiáng)度鋼?板，其沖壓或輥?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

9、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?。拉傷問題的?出現(xiàn)會(huì)帶來?以下問題：難以滿足批?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，降低產(chǎn)品質(zhì)?量。 實(shí)踐表明，在沒有采取?其他措施的?情況下，由鋼鐵材料?制作的模具?用于鋼鐵件?的成形，當(dāng)成形力較?大時(shí)，無論模具如?何熱處理或?淬火硬度有?多高，拉傷問題都?無法避免。 研究表明，工件成形過?程中表面出?現(xiàn)拉傷的實(shí)?質(zhì)是工件和?模具零件表?面局部

10、出現(xiàn)?粘著（或焊合、咬合）的結(jié)果[1] 。要解決或改?善這一問題?有多種方法?，基本原則是?必須改變模?具與被加工?零件這對(duì)摩?擦副的性質(zhì)?，使摩擦副由?不易粘著的?材料代替。具體方法可?以是：①改變模具材?料或?qū)δ＞?進(jìn)行表面處?理；②對(duì)被加工零?件的原料進(jìn)?行表面處理?（如磷化）；③在模具與被?加工零件之?間加一層其?他物質(zhì)，使被加工零?件與模具分?離（如加潤(rùn)滑劑?或加一層P?VC之類的?材料）。以上方法在?不同的場(chǎng)合?下都有應(yīng)用?，一般情況下?，經(jīng)濟(jì)而有效?的方法是從?模具方面入?手，以下就是模?具材料和幾?種常見的表?面處理方法?在解決此類?問題時(shí)的一?些應(yīng)用作些?簡(jiǎn)要介紹。 模具材

11、料方?面，硬質(zhì)合金使?大家公認(rèn)的?耐磨抗咬合?材料，在模具不大?而成形壓力?很大，而且形狀較?簡(jiǎn)單時(shí)采用?此類材料在?不少場(chǎng)合優(yōu)?勢(shì)很大。但該材料加?工困難，脆性也很大?，成本高，燒制大型硬?質(zhì)合金困難?，大型模具難?以制造，所以大型汽?車零件模具?很難采用該?材料。 用銅基合金?做模具零件?也能解決表?面拉傷問題?，存在的問題?是因其強(qiáng)度?低，耐磨性較差?，很難滿足大?批量生產(chǎn)要?求，另外在一些?變形率較大?的場(chǎng)合，拉傷問題也?會(huì)出現(xiàn)。 模具表面處?理方面，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)?用較多，比較熟悉的?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，僅有10

12、0?0HV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?車覆蓋件模?具上雖然有?應(yīng)用，但其效果有?限。PVD或P?CVD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)?2000~3000H?V，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?無效果，這類工藝在?成形模具上?應(yīng)用也很有?限。 實(shí)踐已證明?，目前最有效?而經(jīng)濟(jì)的解?決

13、成形模具?表面拉傷問?題的表面處?理方法是高?溫化學(xué)氣相?沉積（即高溫CV?D）和TD覆層?處理，這兩種方法?在不同國(guó)家?不同場(chǎng)合各?有偏重，相比而言前?者成本較高?，環(huán)保壓力較?大。目前日、韓、美主要應(yīng)用?的是TD覆?層處理，我國(guó)（包括臺(tái)灣地?區(qū)）對(duì)于解決模?具表面拉傷?問題和提高?模具壽命的?表面處理工?藝缺乏必要?的了解，近年來隨著?外資企業(yè)的?不斷涌入，特別是汽車?工業(yè)的高速?發(fā)展，TD覆層處?理工藝及其?應(yīng)用價(jià)值將?越來越多的?被人們所認(rèn)?識(shí)。 2.2 TD覆層處?理應(yīng)用實(shí)例? （1）圖1所示為?汽車配件模?具鑲塊，其加工的是?3.2mm厚、強(qiáng)度為42?0MPa的?高強(qiáng)度鋼板?。

14、該模具在沒?有進(jìn)行TD?覆層處理以?前加工的工?件表面出現(xiàn)?嚴(yán)重拉傷，導(dǎo)致生產(chǎn)效?率降低，工件的表面?質(zhì)量惡化，降低了模具?壽命。通過對(duì)模具?相關(guān)零件進(jìn)?行TD覆層?處理以后，可解決工件?表面拉傷問?題，并可以提高?模具壽命2?0~30萬次。 （2）圖2所示為?車輪鋼圈輥?輪，成形工藝是?將鋼鍛坯輥?壓成形。輥壓成形模?的相關(guān)零件?不進(jìn)行表面?處理很快就?會(huì)出現(xiàn)拉傷?并咬死，無法正常生?產(chǎn)。原來該模具?一般采用鹽?浴滲氮處理?（QPQ處理?），壽命一般僅?能生產(chǎn)不到?1000件?產(chǎn)品，又需重新拆?下進(jìn)行QP?Q處理，生產(chǎn)過程中?還需加入大?量的機(jī)油等?潤(rùn)滑劑，操作環(huán)境惡?劣。后來采用T?

15、D覆層處理?工藝，模具壽命提?高至8萬件?以上，較原經(jīng)QP?Q處理的模?具壽命提高?近百倍，大大提高了?生產(chǎn)效率和?降低了生產(chǎn)?成本。采用該工藝?處理的模具?對(duì)潤(rùn)滑條件?可以放寬，勞動(dòng)條件大?為改善。 3 TD覆層處?理應(yīng)用注意?事項(xiàng) TD覆層處?理溫度是8?50~1050℃，是一種高溫?處理過程，處理過程中?必然會(huì)產(chǎn)生?熱應(yīng)力。對(duì)于鋼鐵材?料而言一般?會(huì)有相變過?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?會(huì)使工件產(chǎn)?生變形甚至?開裂。而一般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?層處理工藝?能否成功應(yīng)?

16、用的關(guān)鍵是?:①形成合格的?表面覆層；②盡量減小工?件變形，并杜絕開裂?現(xiàn)象。根據(jù)十余年?從事該工藝?的研究和應(yīng)?用經(jīng)驗(yàn)，要用好該工?藝除需要專?業(yè)的指導(dǎo)以?外還必須特?別注意以下?問題： （1）?????????????? 材料要求。采用熱處理?微變形鋼，一般推薦S?KD11、D2、DC53、Cr12M?oV等高鉻?模具鋼，實(shí)際上目前?該工藝在模?具上應(yīng)用最?多的也是此?類材料。必須說明的?是，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?問題。 （2）?????????????? 冷熱加工工?藝。工件的熱處?理工藝及其?冷熱加工內(nèi)?應(yīng)力對(duì)TD?覆層處理加?工過程

17、變形?量有較大影?響，這往往需要?各方面相互?溝通，才能使變形?量減小。 （3）?????????????? 設(shè)計(jì)方面。汽車沖模外?形尺寸往往?比較大，出于制造成?本、材料供應(yīng)難?易及冷熱加?工工藝限制?等方面考慮?，要進(jìn)行TD?覆層處理的?大型模具零?件一般都做?成鑲塊結(jié)構(gòu)?，盡量減少工?作部位的分?型面，以減少TD?覆層處理后?的調(diào)模工作?量。另外工件截?面的急劇變?化，內(nèi)部有尖角?、細(xì)長(zhǎng)或薄板?類鋼件，熱處理過程?中工件容易?變形甚至開?裂，所以要進(jìn)行?TD覆層處?理的工件設(shè)?計(jì)時(shí)要盡量?避免以上結(jié)?構(gòu)。 （4）?????????????? TD覆層處?理的工件如?已做過其他?表面處

18、理，如各類滲氮?、滲硼、鍍硬鉻、PVD沉積?等，需將原表面?處理徹底清?除，否則會(huì)影響?TD覆層表?面質(zhì)量。已做過TD?覆層處理的?工件，一般只需將?損傷部位修?復(fù)即可再進(jìn)?行TD覆層?處理。 TD覆層處?理時(shí)間有多?長(zhǎng)？ ? 答：一般情況兩?天左右。 TD覆層處?理有多厚？ ? 答：通常5-20μm。 TD覆層處?理變形情況?如何？ ? 答：會(huì)有少量變?形，但硬質(zhì)合金?除外。所以我們要?求客戶能提?供圖紙，并將有關(guān)熱?處理情況及?工件的精度?及公差范圍?告訴我們，我們也可以?為您提供有?關(guān)加工方面?的建議，以便更好滿?足客戶的要?求 哪些材料可?以用于TD?覆層處理？

19、? 答：原則上含碳?量高于0.3%的各類鋼及?硬質(zhì)合金或?其它含碳氮?材料都可以?，一般推薦中?高合金鋼和?硬質(zhì)合金，如：Cr12，Cr12M?oV，SKD11?，D2，Cr5Mo?V，A2等。 怎樣計(jì)費(fèi)？ ? 答：較大件以重?量計(jì)費(fèi)，小件以件計(jì)?費(fèi)，工件越多，則越便宜。 你們能做多?大的工件？ ? 答：目前我們的?設(shè)備的最大?有效工作尺?寸為ф44?0mmx6?50mm。 可否重復(fù)處?理？ ? 答：如TD覆層?局部已磨損?或意外事故?覆層被破壞?只需將破損?處修復(fù),即可再進(jìn)行?TD覆層處?理,重復(fù)處理次?數(shù)與工件材?料有關(guān),較好的材料?可以重復(fù)處?理7-8次,甚至更多

20、。 已做過其它?表面處理的?工件可否再?進(jìn)行TD覆?層處理？ ? 答：除TD覆層?處理以外,已做過的其?它表面處理?如:滲氮,滲硼,滲硫,鍍硬鉻,化學(xué)鍍Ni?-P,各種氣相沉?積鍍層Ti?N,TiC,TiCN都?需先去除才?可以再進(jìn)行?TD覆層處?理。 使用范圍： TD覆層處?理可廣泛應(yīng)?用于解決或?改善這樣一?些問題： 1）由各類磨損?所引起的模?具與工件或?工件與工件?之間的拉傷?、粘附問題（如各類鋼板?或有色金屬?的引伸、拉延、彎曲、翻邊、滾壓成型等?成型模具或?其它有相對(duì)?運(yùn)動(dòng)的工件?表面），TD覆層處?理是目前此?類問題最好?的解決方法?之一。 2）因磨損

21、而引?起的工件尺?寸超差等問?題（如沖裁，冷鐓，粉末冶金等?模具或其它?配件）,通過TD覆?層處理后,可提高使用?壽命數(shù)倍至?數(shù)十倍。 TD覆層處?理主要性能?指標(biāo)及特點(diǎn)? ? 1）TD覆層表?面硬度：HV280?0-3200，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?理組織結(jié)構(gòu)? ? TD覆層處?理組織結(jié)構(gòu)? ? Cr12M?oV? TD覆層金?相照片 TD覆層處?理工藝過程? ?

22、??? 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?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，拋光等）。 TD覆層與?相關(guān)技術(shù)的?比較 ? ??? 通過在工件?表面形成一?層高硬度的?耐磨材料是?提高工件耐?磨，抗咬合，耐蝕等性能?，從而提高其?使用壽命的?有效而又經(jīng)?濟(jì)的方法，TD覆層處?理技術(shù)以碳?化釩覆層為?例，其表面硬度?可達(dá)HV3?

23、000左右?，較傳統(tǒng)的表?面處理方法?如滲碳、氮化、鍍硬鉻、滲硼等表面?處理的硬度?高得多，因此具有遠(yuǎn)?優(yōu)于這些表?面處理方法?的耐磨性能?。 ??? 幾種表面處?理的硬度比?較 工藝 滲氮 鍍硬鉻，化學(xué)鍍Ni?-P PVD，PCVD 硬質(zhì)合金（鎢鋼） 滲硼 TD覆層處?理 硬度（HV） ～1200 1000 2000～3000 1200～1800 1200～1800 2800～3200 ??? 鍍硬鉻和各?類氮化（包括氣體氮?化，離子氮化，氣體軟氮化?，鹽浴軟氮化?即QPQ）是應(yīng)用廣泛?的兩種表面?處理方法，但在一些條?件較苛刻或?壽命要求很?高的場(chǎng)合

24、，與TD覆層?處理相比，一方面這兩?種表面強(qiáng)化?方法耐磨性?有限，另一方面由?于鍍硬鉻的?鍍層與母材?結(jié)合力較差?，容易出現(xiàn)剝?落。而強(qiáng)化層一?旦磨損或鍍?層剝落，強(qiáng)化效果也?就失去。 ??? 物理氣相沉?積（PVD），物理化學(xué)氣?相沉積（PCVD），化學(xué)氣相沉?積（CVD）,TD覆層處?理是現(xiàn)代的?幾種表面超?硬化處理方?法，其中PVD?，PCVD 工藝溫度低?,變形較小,所形成的T?iN、TiCN類?涂層HV可?達(dá)2000?～3000，甚至更高,這類技術(shù)在?裝飾及高速?鋼刀具上的?應(yīng)用廣泛，與TD覆層?處理相比，這兩種方法?形成的涂層?與母體材料?的結(jié)合力較?差,實(shí)際應(yīng)用中?,容易出

25、現(xiàn)涂?層的剝落,在使用條件?較為苛刻的?場(chǎng)合,如引伸類模?具，根本就無法?達(dá)到滿意的?使用效果,甚至根本無?效果。 ??? 高溫CVD?法形成的碳?化鈦覆層與?TD覆層處?理獲得的表?面覆層硬度?接近,并且高溫C?VD法和T?D覆層處理?的覆層與基?體都是冶金?結(jié)合,具有PVD?和PCVD?無法比擬的?膜基結(jié)合力?,因此是目前?最有效的表?面超硬化方?法。相比而言,CVD覆層?的運(yùn)行成本?較高,后續(xù)處理也?比較麻煩,其應(yīng)用主要?集中在硬質(zhì)?合金工件上?。而TD覆層?處理由于后?續(xù)處理比較?方便,因此既可以?用于鋼鐵材?料,也可以用于?硬質(zhì)合金。此外,TD覆層處?理技術(shù)可以?方便地進(jìn)行?多

26、次重復(fù)處?理。 ????就抗拉傷性?能而言，上述表面處?理方法及材?料實(shí)際上都?是很優(yōu)異的?，只是由于耐?磨性的差別?及硬化層與?母材的結(jié)合?力大小會(huì)影?響最終的使?用效果。比較而言，TD覆層處?理、高溫CVD?、硬質(zhì)合金是?目前最有效?的解決工件?表面拉傷問?題的方法，有關(guān)論述請(qǐng)?參考我公司?的技術(shù)文章?。 拉伸類模具?的表面拉傷?問題及其防?止措施 ? 作者：彭智虎1???? 唐麗文2 （1.長(zhǎng)沙特耐金?屬材料科技?有限公司，湖南長(zhǎng)沙4?10011?；2.重慶工學(xué)院?，重慶400?050） 模具工業(yè) 2006年?第32卷第?1期（69~73） 摘要：分析了工件?成形過程中

27、?表面拉傷問?題及其產(chǎn)生?的原因，并對(duì)期解決?方法進(jìn)行了?討論，重點(diǎn)介紹了?表面處理，特別是熱擴(kuò)?散法碳化物?覆層處理（以下簡(jiǎn)稱T?D覆層處理?）技術(shù)在拉伸?類模具上的?應(yīng)用。 中圖分類號(hào)?：TG17?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼?：B? 文章編號(hào)：1001-2168（2006）01-0069-04 Surfa?ce Scrat?ch Probl?em of Drawi?ng Drawi?ng Dies and Treat?mnt Measu?res PENG Zhi-hu1,TANG Li-Wen2 (1. Chang?sha Topwe?llwea?r Metal? Mater?ial Scie

28、n?ce Co,Ltd ,Chang?sha, Hunan? 41100?11, China?; 2. Chong?qing Insti?tute of Techn?ology?, Chong?qing 40005?00, China?) Abstr?act: The reaso?n of surfa?ce scrat?ch durin?g the formi?ng proce?ss of workp?iec-e??was analy?zed and the solut?ion was discu?ssed. The appli?catio?n of surfa?ce treat?-men

29、t techn?ology?, in parti?cular? therm?al diffu?sion metho?d carbi?de cover?ing treat?ment(TD cover?ing treat?ment for short? ) in drawi?ng dies was intro?duced? in detai?l . key words?:drawi?ng die; fomin?g die;scrat?ch;TD cover?ing treat?ment. 1、引言： 拉伸、彎曲、翻邊、薄板輥壓成?形等模具，其共同特點(diǎn)?是工件在成?形過程中，模具與被加?工材料

30、的接?觸表面要產(chǎn)?生相對(duì)滑動(dòng)?。在成形過程?中，工件和模具?表面易產(chǎn)生?拉傷，也有稱為拉?毛、劃傷。拉傷的后果?是影響產(chǎn)品?的外觀和產(chǎn)?品質(zhì)量，無法進(jìn)行正?常生產(chǎn)。在成形工作?壓力比較大?或在奧氏體?不銹鋼類材?料拉伸成形?時(shí)，拉傷現(xiàn)象表?現(xiàn)得尤為嚴(yán)?重。下面結(jié)合多?年科研和實(shí)?踐經(jīng)驗(yàn)，就此問題進(jìn)?行分析，并對(duì)其解決?方法進(jìn)行了?探討。 2、拉傷的實(shí)質(zhì)?及解決措施? 工件成形過?程中拉傷產(chǎn)?生的原因主?要有以下2?種，一是由于模?具凸、凹模表面的?宏觀機(jī)械凹?凸不平或被?成形材料與?模具凸、凹模面之間?夾雜其他硬?質(zhì)顆粒，都會(huì)在工件?表面或模具?凸、凹模表面形?成機(jī)械的磨?損，解決方法

31、是?對(duì)模具凸、凹模表面進(jìn)?行仔細(xì)研磨?加工，并加強(qiáng)生產(chǎn)?環(huán)境的管理?。另一種是由?于工件表面?與模具凸、凹模表面粘?著磨損而形?成的拉傷，也是生產(chǎn)中?最常見的又?不容易解決?的一種狀況?，以下詳細(xì)分?析粘著磨損?的產(chǎn)生及減?少粘著磨損?的一些基本?措施。 工件成形時(shí)?，模具凸、凹模與被加?工材料表面?相互接觸并?相對(duì)滑動(dòng)，組成一對(duì)摩?擦副。由于材料表?面不可能是?完全平整的?，總存在可以?測(cè)到的粗糙?度，所以真正的?接觸只發(fā)生?在微觀接觸?面上。分析表明，微觀真實(shí)接?觸面積只是?名義上的幾?何接觸面積?的一個(gè)小部?分，在此微觀接?觸面產(chǎn)生很?大的機(jī)械應(yīng)?力，這些應(yīng)力由?于切向相對(duì)?運(yùn)動(dòng)還會(huì)加

32、?強(qiáng)，以致受到負(fù)?荷作用的粗?糙面凸峰發(fā)?生彈性或彈?塑性變形，這樣磨擦副?雙方表面的?吸附層或反?應(yīng)層會(huì)遭到?破壞，結(jié)果使暴露?在表面的原?子鍵聯(lián)結(jié)或?多或少地得?到了加強(qiáng)，這種現(xiàn)象稱?為粘著作用?。當(dāng)摩擦副發(fā)?生相對(duì)運(yùn)動(dòng)?時(shí)，這種原子鍵?又會(huì)相互脫?開，原子鍵脫開?并不一定都?在原始微觀?接觸處斷開?，而有可能在?摩擦副雙方?表面層附近?斷開，其結(jié)果是材?料從磨擦副?的一方轉(zhuǎn)移?到磨擦副的?另一方上去?，這就是所謂?的粘著磨損?。實(shí)驗(yàn)證明，出現(xiàn)粘著磨?損的磨擦副?的表面非常?粗糙，并有拉傷，其程度與法?向力、磨擦副之間?相對(duì)運(yùn)動(dòng)速?度以及溫度?等負(fù)荷參數(shù)?有關(guān)。當(dāng)以上負(fù)荷?參數(shù)超過了?臨界

33、值時(shí)，粘著磨損突?然加劇，出現(xiàn)所謂膠?合現(xiàn)象，極端情況磨?擦副間的相?對(duì)運(yùn)動(dòng)停止?，出現(xiàn)咬死現(xiàn)?象。由上分析可?見，工件成形時(shí)?表面出現(xiàn)拉?傷或咬死現(xiàn)?象就是粘著?摩損所引起?的結(jié)果。 要減少粘著?磨損目前還?缺乏統(tǒng)一的?選擇依據(jù)，大多需要依?靠經(jīng)驗(yàn)知識(shí)?來確定，以下是減少?粘著磨損所?采取的一些?基本措施： （1）盡量減少接?觸副之間的?負(fù)荷，包括機(jī)械與?熱負(fù)荷。 （2）避免采用金?屬配對(duì)副，而采用陶瓷?與陶瓷、塑料與塑料?，塑料與金屬?，陶瓷與金屬?或塑料與陶?瓷配對(duì)副來?代替。 （3）當(dāng)使用金屬?配對(duì)副時(shí)，應(yīng)優(yōu)先采用?體心立方或?六方體結(jié)構(gòu)?的材料，避免采用面?心立方結(jié)構(gòu)?的材料

34、。 （4）采用非均質(zhì)?組織的材料?。 （5）采用潤(rùn)滑油?膜使接觸副?隔開。 （6）采用有EP?（極壓）添加劑的潤(rùn)?滑油，使接觸副表?面上形成保?護(hù)性的吸附?層或反應(yīng)層?。 3、解傷決拉傷?問題的一些?方法 解決模具及?工件成形過?程中的拉傷?問題應(yīng)依照?減小粘著磨?損的基本原?則，通過改變接?觸副的性質(zhì)?作為出發(fā)點(diǎn)?。以下就構(gòu)成?此對(duì)接觸副?的3方，即被成形工?件的原材料?方面、工件與模具?之間、模具方面分?別予以分析?。 3.1 被成形工件?的原材料方?面 通過對(duì)原材?料進(jìn)行表面?處理，如對(duì)原材料?進(jìn)行磷化、噴塑或其他?表面處理。使被成形材?料表面形成?一層非金屬?膜層，可

35、以大大減?輕或消除工?件的拉傷，這種方法往?往成本較高?，并需要添加?另外的生產(chǎn)?設(shè)備和增加?生產(chǎn)工序，盡管這種方?法有時(shí)有些?效果，實(shí)際生產(chǎn)中?應(yīng)用卻很少?。 3.2 工件與模具?之間 在模具與成?形材料之間?加一層PV?C之類的薄?膜，有時(shí)也可以?解決工件的?拉傷問題。對(duì)于生產(chǎn)線?，通過機(jī)構(gòu)可?以達(dá)到連續(xù)?供給薄膜，而對(duì)于周期?生產(chǎn)的沖壓?設(shè)備，每生產(chǎn)一件?工件需加一?張薄膜，影響生產(chǎn)效?率，此方法一般?成本也很高?，還會(huì)產(chǎn)生大?量廢料，對(duì)于小批量?的大型工件?的生產(chǎn)采用?此種方法是?可取的。 在一些成形?負(fù)荷很小的?場(chǎng)合，有時(shí)通過添?加潤(rùn)滑油或?加EP（極壓）添加流劑的?潤(rùn)滑油就可

36、?以解決工件?的拉傷問題?。 3.3 模具方面 通過改變模?具凸、凹模材料或?對(duì)模具凸、凹模進(jìn)行表?面處理，使被成形材?料與凸、凹模這對(duì)接?觸副性質(zhì)發(fā)?生改變。實(shí)踐表明，這是解決拉?傷問題經(jīng)濟(jì)?而有效的方?法，也是目前廣?泛采用的方?法。 3.3.1 模具材料 若被加工的?材料是鋼鐵?材料，無論采用何?種模具鋼或?鑄鐵，在沒有采用?合適的表面?處理情況下?，一般都很難?解決工件的?拉傷問題。 從模具凸、凹模材料入?手解決工件?的拉傷問題?，可以采用硬?質(zhì)合金，一般情況下?，由這種材料?制作的凸、凹?？估瓊?性能很高，存在的問題?是材料成本?高，不易加工，對(duì)于較大型?的模具，由于燒制大

37、?型硬質(zhì)合金?塊較困難，即使燒制成?功，加工過程中?也有可能出?現(xiàn)開裂，成材率低，有些幾乎難?以成形。此外硬質(zhì)合?金性脆，搬運(yùn)、安裝使用過?程中都要極?其小心，稍有不慎就?有可能出現(xiàn)?崩塊或開裂?而報(bào)廢。另外，由于硬質(zhì)合?金的組織結(jié)?構(gòu)是由硬質(zhì)?的碳化鎢顆?粒和軟的粘?結(jié)相鈷所組?成，硬質(zhì)碳化鎢?顆粒的耐磨?抗咬合性能?很高，而鈷相由于?硬度很低，耐磨性能較?差，使用過程中?鈷相會(huì)優(yōu)先?磨損，使凸、凹模表面形?成凹凸不平?，如此生產(chǎn)出?來的工件表?面也會(huì)出現(xiàn)?拉痕，此時(shí)需對(duì)模?具凸、凹模表面進(jìn)?行研磨拋光?后方可進(jìn)行?再生產(chǎn)。對(duì)于奧氏體?不銹鋼工件?，由于其面心?立方結(jié)構(gòu)也?容易與鈷相?形成咬

38、合而?使工件的表?面出現(xiàn)拉傷?。 采用合適的?銅基合金也?可解決工件?的拉傷問題?，但銅基合金?一般硬度較?低，易出現(xiàn)磨損?超差，在大批量生?產(chǎn)的情況下?，這種材料的?性價(jià)比較低?。 對(duì)于較大型?的模具，如汽車覆蓋?件的成形模?具，大量采用了?合金鑄鐵，鑄鐵只能減?輕工件的拉?傷，無法消除拉?傷問題，要徹底解決?拉傷問題需?鋪以滲氮，鍍硬鉻等表?面處理。但如此制作?的模具往往?壽命比較短?，在使用一段?時(shí)間后，如出現(xiàn)拉傷?，又需修模并?重新進(jìn)行表?面處理。 在模具材料?方面，也有采用陶?瓷制作模具?凸、凹模并成功?解決工件拉?傷問題的報(bào)?道。由于其性脆?，成本高，不可能大批?量推廣應(yīng)用?

39、。 對(duì)于生產(chǎn)批?量很小而形?狀簡(jiǎn)單的大?型拉伸類模?具，也有采用橡?膠等高分子?類材料制作?模具凸、凹模的報(bào)道?,此類模具不?會(huì)拉傷工件?表面，但實(shí)際應(yīng)用?很少。 3.3.2 模具表面處?理 通過對(duì)模具?進(jìn)行表面處?理特別是對(duì)?模具凸、凹模進(jìn)行表?面超硬化處?理是解決工?件表面拉傷?問題經(jīng)濟(jì)而?有效有方法?。表面處理方?法有多種，比較常用的?有：鍍層方面有?鍍硬鉻、化學(xué)鍍鎳磷?、刷鍍特種合?金等；化學(xué)熱處理?方面有各類?滲氮、滲硼、滲硫等；表面超硬化?處理方面有?化學(xué)氣相沉?積（CVD）、物理化學(xué)氣?沉積（PVD）、TD覆層處?理。 電鍍、化學(xué)鍍、刷鍍是通過?電化學(xué)或化?學(xué)反應(yīng)的方?法

40、，在工件表面?形成合金鍍?層，工藝不同，合金鍍層性?能各異。就耐磨抗咬?合用途，目前應(yīng)用較?多的是鍍硬?鉻、化學(xué)鍍鎳磷?、刷鍍鎳鎢等?合金等。對(duì)于成形負(fù)?荷較輕或大?型模具采和?這些方法有?時(shí)可以取得?一定的效果?。這類表面處?理存在問題?是一方面由?于表面硬化?層的硬度相?對(duì)較低，容易出現(xiàn)磨?損，而鍍層一旦?磨損，拉傷又會(huì)出?現(xiàn)。另一方面，鍍層與基本?材料機(jī)械結(jié)?合，在負(fù)荷較大?的場(chǎng)合，有時(shí)使用幾?次鍍層就會(huì)?剝落，而鍍層一旦?剝落，其功效也就?失去。 化學(xué)熱處理?是將工件放?入含某種或?某幾種化學(xué)?元素的介質(zhì)?中加熱保溫?，通過工件與?介質(zhì)的物理?化學(xué)作用，將這種或這?幾種元素滲?入工件

41、表面?，然后以適當(dāng)?的方式冷卻?，從而改變了?工件表面的?成分和組織?結(jié)構(gòu)，并賦予工件?不同的物理?、化學(xué)和機(jī)械?性能。化學(xué)熱處理?的種類很多?，根據(jù)所滲元?素不同分類?為：各種滲碳、各種滲氮、各種氮碳或?碳氮共滲、滲硼、滲硫、滲鋁、滲鋅、滲其他各金?屬等。以耐磨、減磨、抗拉傷為目?的的化學(xué)熱?處理目前常?用的是：滲碳、滲氮、滲硼、滲硫幾種。 采用合適的?模具材料輔?以滲氮、滲硼等化學(xué)?熱處理往往?具有較常規(guī)?鋼制模具高?得多的抗拉?傷性能。在缺乏其他?表面處理工?藝方法的情?況下，這不適為一?種較好的選?擇，也是較常用?的方法。就滲氮處理?而言，滲氮的化合?物層具有很?高的抗拉傷?性能，但

42、由于其硬?化效果有限?（一般120?0HV以下?），且化合物層?較?。?0μm左?右），其耐磨性有?限，而化合物層?一旦磨損，拉傷又會(huì)出?現(xiàn)，所以在大批?量生產(chǎn)過程?中滲氮處理?往往還無法?滿足生產(chǎn)要?求。就滲硼工藝?而言，其硬化層硬?度可達(dá)18?00HV，耐磨性較高?，但依據(jù)經(jīng)驗(yàn)?，滲硼質(zhì)量的?穩(wěn)定性和滲?硼工件變形?較大以及滲?硼層抗拉傷?性能較差是?制約該技術(shù)?在成形類模?具上應(yīng)用的?幾個(gè)重要因?素。滲硫技術(shù)具?有較高的減?摩性能，在一些場(chǎng)合?也取得了較?好的效果，但對(duì)于負(fù)荷?較大的成形?類模具、效果有限。 表面超硬化?處理是指化?學(xué)氣相沉積?（CVD）、物理氣相沉?積（PVD）、物理

43、化學(xué)氣?相沉積（PVD）、TD覆層處?理。這幾種表面?處理的共同?特點(diǎn)是都可?以在工件表?面形成20?00HV以?上的硬化層?，并具有極高?的耐磨抗咬?合等性能。實(shí)踐證明，化學(xué)氣相沉?積（PVD）、TD覆層處?理技術(shù)是目?前解決工件?拉傷效果最?好的方法，而經(jīng)物理氣?相沉積（PVD）和物理化學(xué)?氣相沉積（PCVD）的工件，雖然其表面?硬度也可達(dá)?到2000?～3000H?V，甚至更高，表面硬化層?也具有極高?的耐磨、抗拉傷性能?，但由于其膜?基結(jié)合力較?CVD和T?D覆層處理?差距較大，往往在使用?過程中過早?脫落，發(fā)揮不出表?面超硬化層?的性能特點(diǎn)?，因此這兩種?方法除在載?荷較小的情?況下

44、有可能?具有效果外?，一般的成形?類模具很難?有滿意的效?果。 化學(xué)氣相沉?積（CVD）的碳化鈦（TNC）之類的材料?，具有極高的?硬度（3000H?V以上），加上其膜基?結(jié)合力很高?，具有比一般?模具材料或?經(jīng)其他表面?處理后高得?多的耐磨、抗拉傷性能?，能夠數(shù)倍至?幾十倍地提?高模具的使?用壽命。其缺點(diǎn)是處?理溫度高，工件變形大?，工件CVD?處理完以后?，需另外重新?加熱淬火，而表面沉積?層的空氣中?于400～500°C以上的溫?度下加熱會(huì)?氧化，因此后續(xù)工?序要求嚴(yán)格?，稍有不慎，表面硬化層?就會(huì)遭受破?壞，嚴(yán)重制約了?其在鋼模上?的應(yīng)用，而主要應(yīng)用?于硬質(zhì)合金?等無相變的?材料。此

45、外，CVD處理?過程中的排?放物對(duì)環(huán)境?污染較大。 TD覆層處?理國(guó)內(nèi)又名?熔鹽滲金屬?、滲釩等，其原理是通?過熱擴(kuò)散作?用于工件表?面形成一層?數(shù)微米到數(shù)?十微米的碳?化釩覆層。TD覆層處?理的主要特?點(diǎn)是：① 覆層硬度較?高，硬度可達(dá)3?000HV?左右，具有極高的?而磨、抗拉傷、耐蝕等性能?；② 由于是通過?擴(kuò)散形成的?，所以覆層與?基體具有冶?金結(jié)合，這一點(diǎn)對(duì)在?成形類模具?上的應(yīng)用極?其重要；③ TD覆層處?理后可以直?接進(jìn)行淬火?，這一點(diǎn)特別?適合于各類?模具鋼材；④ TD覆層處?理可以重復(fù)?進(jìn)行。大量的實(shí)踐?證明，在成形類模?具上采用該?技術(shù)具有其?他表面處理?無法比擬的?使用

46、效果，在一些場(chǎng)合?具有比硬質(zhì)?合金更好的?效果。由于TD覆?層處理技術(shù)?的設(shè)備相對(duì)?而言比較簡(jiǎn)?單，成本較低，無公害，目前該技術(shù)?在日本、美國(guó)等都已?得到廣泛的?應(yīng)用。國(guó)內(nèi)70年?代即已開始?研究該技術(shù)?，到目前已有?數(shù)十家單位?對(duì)該技術(shù)達(dá)?到長(zhǎng)期穩(wěn)定?生產(chǎn)的要求?，并已成功應(yīng)?用到汽車、家電、五金、制管、冶金等行業(yè)?的位伸、彎曲、翻邊、輥壓成形、冷鐓、粉末冶金等?類模具上，取得了極優(yōu)?的使用效果?。 綜上所述，解決工件及?模具凸、凹模表面拉?傷問題的方?法很多，對(duì)于具體的?個(gè)案，應(yīng)根據(jù)工件?和載荷大小?、生產(chǎn)批量、被加工材料?的種類等情?況選擇相應(yīng)?的方法。在所有解決?拉傷問題的?方法中，以采用硬質(zhì)?合金為模具?材料和對(duì)模?具凸、凹模表面進(jìn)?行化學(xué)氣相?沉積（CVD）、TD覆層處?理為最好。其中又以T?D覆層處理?性價(jià)比最高?。 4、結(jié)束語 工件拉傷問?題是粘著磨?損結(jié)果，解決工件拉?傷問題的方?法較多，應(yīng)根據(jù)情況?具體予以選?擇。一般情況下?，采用硬質(zhì)合?金為模具材?料，對(duì)模具凸、凹模表面進(jìn)?行化學(xué)氣相?沉積和TD?覆層處理是?最解決工件?及模具凸、凹模表面拉?傷問題最有?效最經(jīng)濟(jì)的?方法。