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本文作者：李兵作者單位：東風(fēng)汽車(chē)有限公司商用車(chē)車(chē)身廠

日本豐田中央研究所于20世紀(jì)70年代開(kāi)發(fā)出td覆層處理技術(shù)，并將其成功用于汽車(chē)模具之中。該技術(shù)的應(yīng)用大大提升了汽車(chē)模具的質(zhì)量，加速了汽車(chē)模具的發(fā)展。

1TD覆層處理的工藝流程

TD覆層處理的工藝流程為尺寸測(cè)量→打磨拋光→脫脂處理→工件預(yù)熱→TD覆層→淬火→回火→清理拋光→檢驗(yàn)。具體做法是，將預(yù)處理的工件置于含有碳化物形成元素如釩、鈮、鉻高溫鹽浴中，溫度保持在8501050℃，處理18h。此時(shí)，基體中所含的碳（主要指奧氏體中的固溶碳）會(huì)往外擴(kuò)散至表面，與鹽浴中的碳化物形成元素結(jié)合為碳化物。表面形成碳化物后，產(chǎn)生內(nèi)外碳濃度的梯度。隨著覆層過(guò)程的進(jìn)行，碳不斷向外擴(kuò)散，使覆層加厚。

2TD覆層處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

實(shí)踐證明，TD覆層處理技術(shù)是目前避免沖壓成形零件與模具拉傷問(wèn)題經(jīng)濟(jì)而最有效的方法之一，可提高模具使用壽命數(shù)倍甚至數(shù)10倍，有極高的實(shí)用經(jīng)濟(jì)價(jià)值。表1是幾種表面處理工藝的性能對(duì)比。從表1看出，TD同CVD（化學(xué)氣相沉積法）、PVD（物理氣相沉積法）的硬度、摩擦因數(shù)基本接近，但硬度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的滲碳、滲氮工藝；而PVD因膜層與基體結(jié)合力較差，難以發(fā)揮優(yōu)勢(shì)；CVD工藝的排出物會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生污染，并對(duì)員工身體健康造成傷害，工藝比較難控制。從表1看出，TD覆層處理技術(shù)的優(yōu)勢(shì)還是很明顯的。a.經(jīng)TD覆層處理后的模具表面具有高硬度、低摩擦因數(shù)。b.TD覆層處理的覆層是冶金結(jié)合，有優(yōu)異的抗咬合、抗拉傷性能。c.TD覆層處理后的模具耐磨性能可以提高幾倍，甚至幾十倍。從國(guó)內(nèi)對(duì)Cr12MoV模具鋼磨損失重?cái)?shù)據(jù)對(duì)比分析資料的數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)TD覆層處理工件的耐磨性是沒(méi)經(jīng)TD處理的45倍。d.TD覆層處理后模具的抗腐蝕性、抗氧化性也大幅度提高。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看，經(jīng)TD覆層處理的工件在低于400℃溫度范圍內(nèi)具有很強(qiáng)的抗氧化性。

3TD覆層處理對(duì)模具材料的要求

TD覆層處理的原理是零件材料中的固溶碳原子進(jìn)行長(zhǎng)程擴(kuò)散形成碳化物層，因此對(duì)模具材料的含碳量有基本要求。當(dāng)模具材料的含碳量低于0.35%時(shí)，就不適合進(jìn)行TD處理。從國(guó)內(nèi)目前成熟的技術(shù)來(lái)看，SKD11、Cr12MoV、T10等高碳鋼及高碳合金工具鋼比較適合進(jìn)行TD處理。但材料組織結(jié)構(gòu)不均勻的工件在進(jìn)行TD覆層處理時(shí)會(huì)產(chǎn)生變形、開(kāi)裂，一般修補(bǔ)過(guò)的模具在焊縫處也會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。由于TD處理后的模具要進(jìn)行淬火、回火處理，進(jìn)行TD處理的零件含碳量會(huì)有所降低，影響零件材料的淬透性，因此進(jìn)行TD處理的模具材料淬透性要求良好。另外，TD處理對(duì)模具表面也有一定要求。因TD處理形成的碳化物層與基體的結(jié)合力雖然比其他表面強(qiáng)化處理方法要強(qiáng)，但當(dāng)基體表面有開(kāi)口、裂紋缺陷時(shí)，TD覆層也極易發(fā)生剝落；而表面過(guò)于粗糙，除了隱藏缺陷外，經(jīng)TD處理后會(huì)因硬度過(guò)高而大大增加打磨的時(shí)間。對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)其他表面處理的模具，去除表面處理層后才能進(jìn)行TD處理。目前，受TD處理設(shè)備和成本的限制，國(guó)內(nèi)大部分TD加工企業(yè)只能加工500mm×1000mm以內(nèi)的模具，超過(guò)這個(gè)尺寸的模具設(shè)備條件無(wú)法滿足。因此，要處理尺寸偏大的模具，模具必須采用分鑲塊結(jié)構(gòu)。

4TD覆層處理技術(shù)在汽車(chē)模具上的應(yīng)用

汽車(chē)沖壓成形零件最常見(jiàn)的質(zhì)量缺陷是零件表面拉毛。拉毛刻痕不僅影響油漆質(zhì)量及外觀，而且容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，進(jìn)而影響車(chē)身壽命。特別是對(duì)于汽車(chē)安全承載零件如汽車(chē)縱梁類(lèi)零件，采用TD覆層處理技術(shù)對(duì)于降低或消除拉毛缺陷、提升整車(chē)安全性能、延長(zhǎng)模具壽命、提高零件生產(chǎn)效率具有舉足輕重的作用。

4.1車(chē)身縱梁系列零件

對(duì)于車(chē)身來(lái)說(shuō)，縱梁系列零件處于駕駛室的正下方，主要起承載作用，是最重要的保安件。東風(fēng)天錦駕駛室車(chē)身縱梁系列分為左右前縱梁、左右前內(nèi)縱梁、左右前縱梁加強(qiáng)梁、左右后縱梁以及左右后內(nèi)縱梁等10種零件，零件料厚最厚為2.3mm，最薄為1.4mm。

4.2縱梁零件拉毛問(wèn)題原因分析

出于對(duì)駕駛室安全的考慮，縱梁系列零件一般比汽車(chē)外覆蓋件厚。因此，其沖壓成形的模具都要承受很高的成形壓力，零件表面和模具表面容易產(chǎn)生拉毛缺陷（圖1），如果繼續(xù)生產(chǎn)，模具與零件表面質(zhì)量會(huì)進(jìn)一步惡化，拉毛轉(zhuǎn)化成拉痕，甚至拉裂。如果拉毛過(guò)于嚴(yán)重，則會(huì)停止生產(chǎn)，由模修鉗工對(duì)模具表面進(jìn)行拋光處理，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。實(shí)踐表明，在沒(méi)有采取特殊處理的情況下，拉毛缺陷伴隨模具生產(chǎn)的全過(guò)程。只要是沖壓件都存在不同程度的拉毛缺陷，無(wú)論模具如何熱處理或淬火硬度多高，拉毛問(wèn)題都無(wú)法避免。

（1）拉毛缺陷產(chǎn)生機(jī)理

在沖壓零件拉延成形過(guò)程中，在力和摩擦作用下，模具表面和板料表面的吸附層和油膜被破壞，剛開(kāi)始是表面凸起部位油膜先失去，吸附層破壞，產(chǎn)生原子級(jí)接觸而出現(xiàn)冷焊現(xiàn)象。模具表面和板料表面的金屬離子相互吸附、擴(kuò)散，由于板料軋制和模具鑄造或加工等產(chǎn)生晶粒缺陷，兩種潔凈表面金屬離子吸附力大于有缺陷的原子鍵或正常原子鍵，板料晶粒被剝離而粘結(jié)在模具表面上，隨著拉延繼續(xù)深入，板料連續(xù)滑過(guò)模具表面，這些先粘附凸起部位更易擠壓破壞板料表面油膜而吸附、擴(kuò)散和剝離板料表面，發(fā)生再次粘結(jié)。多次拉延，造成粘結(jié)點(diǎn)增生形成積瘤。積瘤的每層金屬晶粒都經(jīng)過(guò)了晶粒破碎和位錯(cuò)變化，金屬塑性變形抗力增大，其硬度和強(qiáng)度顯著升高，塑性和韌性下降，即產(chǎn)生加工硬化現(xiàn)象。積瘤具有比板料更高的硬度，可達(dá)到板料硬度的23.5倍。拉延不斷進(jìn)行，長(zhǎng)高的積瘤像一把鏟刀，會(huì)鏟去滑過(guò)積瘤處的金屬板料，產(chǎn)生劃傷鱗刺和犁溝損傷。東風(fēng)天錦駕駛室左右前內(nèi)縱梁成形工序件如圖2。板料厚2.3mm。凸模材料采用MoCr鑄鐵，凹模和壓料圈材料采用Cr12MoV。因零件成形深度深，生產(chǎn)到一定數(shù)量，零件外表面輕者劃傷，重者出現(xiàn)犁溝和鱗刺現(xiàn)象。這時(shí)，仔細(xì)觀察模具表面，有粘結(jié)斑痕，拋光模具表面，再生產(chǎn)幾乎無(wú)改善。造成上述現(xiàn)象的原因是，零件成形深度深，成形流動(dòng)阻力較大，模具和板料經(jīng)過(guò)摩擦發(fā)熱兩者咬合、粘結(jié)，并在模具表面而產(chǎn)生積瘤。

（2）拉毛缺陷的主要危害

a.拉毛增大拉延阻力。沖壓作業(yè)時(shí)，拉延件表面拉毛增加了壓邊面進(jìn)料阻力，因此需要頻繁調(diào)整設(shè)備壓力以維持最佳壓力條件穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，而產(chǎn)品棱線及危險(xiǎn)斷面產(chǎn)生傷線或開(kāi)裂的概率會(huì)數(shù)倍增加。b.拉毛刻痕易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致零件首先從拉毛劃傷處出現(xiàn)裂紋，使車(chē)身早期損壞。c.拉毛刻痕易產(chǎn)生油漆缺陷。拉毛刻痕在油漆時(shí)，易出現(xiàn)細(xì)微排氣不暢，導(dǎo)致漆膜與金屬面間有氣隙，因振動(dòng)或碰撞，氣隙處漆膜破裂而進(jìn)氣、進(jìn)水，零件容易生銹。d.增加人工修件工時(shí)。因車(chē)身零件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，許多產(chǎn)品表面拉毛必然留在產(chǎn)品上。手工拋光打磨，會(huì)產(chǎn)生工時(shí)浪費(fèi)。如對(duì)車(chē)身縱梁系列零件的拉毛修理，需投入大量的人力物力，修理成本高、效率低。e.拉毛易造成停工等待浪費(fèi)，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率。當(dāng)零件出現(xiàn)嚴(yán)重拉毛缺陷后，需停機(jī)對(duì)模具表面進(jìn)行拋光處理，每拋光一次耗時(shí)1015min，但每次拋光處理后僅能維持沖壓工件4050件，然后又會(huì)產(chǎn)生拉毛缺陷。

4.3縱梁成形模具的TD覆層處理

東風(fēng)天錦車(chē)身縱梁系列共有10個(gè)零件，7套成形模。凹模和壓料圈材料采用Cr12MoV，鑲塊最大尺寸為420mm×540mm，最小尺寸為300mm×450mm，符合TD覆層處理的基本技術(shù)條件。TD覆層處理技術(shù)是利用其高耐磨、抗粘結(jié)性能，從根本上解決成形類(lèi)模具的表面拉傷零件和粘料問(wèn)題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和模具使用壽命。對(duì)縱梁零件建立相應(yīng)生產(chǎn)儲(chǔ)備后，分批、分次逐一對(duì)每套模具的凹模和壓料圈進(jìn)行TD覆層處理。對(duì)鑲塊進(jìn)行外觀尺寸檢查，主要是檢查鑲塊表面有無(wú)缺陷，并測(cè)量鑲塊尺寸（便于吊裝）；對(duì)鑲塊進(jìn)行打磨拋光處理，鑲塊之間打坡口，拋光后再進(jìn)行TD處理，鑲塊表面粗糙度不發(fā)生變化。根據(jù)擴(kuò)散理論，被覆碳化物的厚度取決于基體材料中碳原子的擴(kuò)散情況，包括鹽浴溫度和處理時(shí)間。溫度在8501050℃，核心工藝所需溫度為920960℃。最佳溫度與基體的最佳淬火溫度相一致，不可高于這個(gè)溫度。因?yàn)榻^大部分模具在經(jīng)TD覆層處理后必須進(jìn)行回火處理，目的是消除TD覆層處理模具的應(yīng)力，提高其力學(xué)性能，保證TD覆層處理的質(zhì)量。圖3為經(jīng)TD表面覆層處理后的縱梁模具鑲塊。經(jīng)檢測(cè)，其TD覆層的厚度為812μm，硬度為5862HRC，完全符合TD覆層處理工藝的技術(shù)指標(biāo)。

4.4TD覆層處理后模具的使用情況

縱梁系列模具項(xiàng)目是2008年底完成并投入批量生產(chǎn)的。在2010年，東風(fēng)天錦駕駛室產(chǎn)量達(dá)到44000臺(tái)，月產(chǎn)最高數(shù)量達(dá)到5500臺(tái)。也就是說(shuō)，縱梁系列模具經(jīng)過(guò)TD覆層處理后，分別累計(jì)沖壓生產(chǎn)達(dá)44000件，平均每批次生產(chǎn)2500件左右，最多一個(gè)批次生產(chǎn)3500件。這期間，無(wú)需人工拋光模具，縱梁零件表面無(wú)拉毛缺陷，TD表面處理技術(shù)取得了十分顯著的效果。圖4為已沖壓近5萬(wàn)件的縱梁零件。對(duì)比模具TD覆層處理之前，2008年的產(chǎn)量按8000件計(jì)算，模具的拋修頻率平均50件1次，每次約10min，停機(jī)拋修模具工時(shí)為26.7h，壓機(jī)綜合臺(tái)時(shí)費(fèi)為1200元，這樣每年可節(jié)約設(shè)備臺(tái)時(shí)費(fèi)32000元，而且節(jié)約的人工修件費(fèi)尚未計(jì)算，實(shí)際產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益也是相當(dāng)明顯的。

4.5TD覆層模具的維護(hù)和保養(yǎng)

與任何設(shè)備及模具工裝一樣，再先進(jìn)的處理工藝也不可能一勞永逸，TD覆層處理后的模具也需要精心維護(hù)、悉心保養(yǎng)。只有通過(guò)正確的維護(hù)保養(yǎng)方法，維持優(yōu)良的沖壓作業(yè)環(huán)境，才能延長(zhǎng)模具的使用壽命，提高沖壓件的質(zhì)量水平。

（1）模具清洗

在沖壓車(chē)間新建了模具清洗陣地。按照工藝要求，每沖壓生產(chǎn)一批零件后都要對(duì)模具進(jìn)行清洗。特別是對(duì)拉延成形類(lèi)模具，將模具凸/凹模、壓料圈拆開(kāi)，用熱水徹底沖洗，除凈油污、鐵屑和砂粒等異物，最后用壓縮空氣吹干，避免生銹。經(jīng)過(guò)清洗后的模具投入下批生產(chǎn)后，不僅能有效保證沖壓件的生產(chǎn)質(zhì)量，最重要的是能有效保證TD覆層不被破壞，提高模具使用壽命。

（2）板料清潔

經(jīng)TD覆層處理后的縱梁模具，對(duì)應(yīng)的也要保證縱梁生產(chǎn)板料的清潔。目前，主要采取兩方面的措施。在材料的存放環(huán)節(jié)，用鋁合金方子取代之前的木方子存放，避免木方子掉渣污染板料；在材料的物流轉(zhuǎn)運(yùn)環(huán)節(jié)，從材料開(kāi)卷剪切到?jīng)_壓生產(chǎn)車(chē)間，用塑料薄膜對(duì)板料進(jìn)行包裹，直到生產(chǎn)工位再打開(kāi)，有效保證板料不受灰塵、雜質(zhì)污染，進(jìn)而保證縱梁模具TD覆層不被破壞，提高沖壓件的生產(chǎn)質(zhì)量。

（3）定期維護(hù)

經(jīng)過(guò)一定批量（約3000件）生產(chǎn)后，TD覆層模具表面會(huì)發(fā)現(xiàn)有輕微粘結(jié)點(diǎn)，縱梁零件表面也有細(xì)劃痕，這時(shí)就必須對(duì)模具進(jìn)行定期維護(hù)保養(yǎng)。當(dāng)生產(chǎn)作業(yè)完成后，用超細(xì)油石（8001200目）輕推這些有手感的粘結(jié)點(diǎn)，直到手感光滑為止。油石拋光時(shí)最好沿走料方向反復(fù)推，切忌用粗油石或砂磚、砂輪拋打，否則會(huì)破壞周?chē)５墓鉂嵄砻妗Ｉ鲜黾?xì)小的粘結(jié)點(diǎn)或粘結(jié)線，實(shí)質(zhì)不是上述真正意義的冷焊粘結(jié)現(xiàn)象。鑄件精加工后有細(xì)微的凹坑，坑的邊緣像一把刀刃，材料在模具曲面變形區(qū)受擠壓擠入凹坑，流動(dòng)時(shí)在微孔口邊緣鏟下一層，再?zèng)_壓再鏟一層，直至填滿微孔，凸出微孔口緣，狀如積瘤，大到一定程度被板料帶走，因此這些小凸點(diǎn)不會(huì)有過(guò)大的，所產(chǎn)生的劃傷為0.020.04mm。