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本文作者：李兵作者單位：東風汽車有限公司商用車車身廠

日本豐田中央研究所于20世紀70年代開發(fā)出td覆層處理技術，并將其成功用于汽車模具之中。該技術的應用大大提升了汽車模具的質(zhì)量，加速了汽車模具的發(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量→打磨拋光→脫脂處理→工件預熱→TD覆層→淬火→回火→清理拋光→檢驗。具體做法是，將預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，基體中所含的碳（主要指奧氏體中的固溶碳）會往外擴散至表面，與鹽浴中的碳化物形成元素結合為碳化物。表面形成碳化物后，產(chǎn)生內(nèi)外碳濃度的梯度。隨著覆層過程的進行，碳不斷向外擴散，使覆層加厚。

2TD覆層處理技術的優(yōu)勢

實踐證明，TD覆層處理技術是目前避免沖壓成形零件與模具拉傷問題經(jīng)濟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，有極高的實用經(jīng)濟價值。表1是幾種表面處理工藝的性能對比。從表1看出，TD同CVD（化學氣相沉積法）、PVD（物理氣相沉積法）的硬度、摩擦因數(shù)基本接近，但硬度遠高于傳統(tǒng)的滲碳、滲氮工藝；而PVD因膜層與基體結合力較差，難以發(fā)揮優(yōu)勢；CVD工藝的排出物會對環(huán)境產(chǎn)生污染，并對員工身體健康造成傷害，工藝比較難控制。從表1看出，TD覆層處理技術的優(yōu)勢還是很明顯的。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。從國內(nèi)對Cr12MoV模具鋼磨損失重數(shù)據(jù)對比分析資料的數(shù)據(jù)來看，經(jīng)TD覆層處理工件的耐磨性是沒經(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。從試驗數(shù)據(jù)來看，經(jīng)TD覆層處理的工件在低于400℃溫度范圍內(nèi)具有很強的抗氧化性。

3TD覆層處理對模具材料的要求

TD覆層處理的原理是零件材料中的固溶碳原子進行長程擴散形成碳化物層，因此對模具材料的含碳量有基本要求。當模具材料的含碳量低于0.35%時，就不適合進行TD處理。從國內(nèi)目前成熟的技術來看，SKD11、Cr12MoV、T10等高碳鋼及高碳合金工具鋼比較適合進行TD處理。但材料組織結構不均勻的工件在進行TD覆層處理時會產(chǎn)生變形、開裂，一般修補過的模具在焊縫處也會出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。由于TD處理后的模具要進行淬火、回火處理，進行TD處理的零件含碳量會有所降低，影響零件材料的淬透性，因此進行TD處理的模具材料淬透性要求良好。另外，TD處理對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合力雖然比其他表面強化處理方法要強，但當基體表面有開口、裂紋缺陷時，TD覆層也極易發(fā)生剝落；而表面過于粗糙，除了隱藏缺陷外，經(jīng)TD處理后會因硬度過高而大大增加打磨的時間。對已經(jīng)進行過其他表面處理的模具，去除表面處理層后才能進行TD處理。目前，受TD處理設備和成本的限制，國內(nèi)大部分TD加工企業(yè)只能加工500mm×1000mm以內(nèi)的模具，超過這個尺寸的模具設備條件無法滿足。因此，要處理尺寸偏大的模具，模具必須采用分鑲塊結構。

4TD覆層處理技術在汽車模具上的應用

汽車沖壓成形零件最常見的質(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)生應力集中，進而影響車身壽命。特別是對于汽車安全承載零件如汽車縱梁類零件，采用TD覆層處理技術對于降低或消除拉毛缺陷、提升整車安全性能、延長模具壽命、提高零件生產(chǎn)效率具有舉足輕重的作用。

4.1車身縱梁系列零件

對于車身來說，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。東風天錦駕駛室車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縱梁零件拉毛問題原因分析

出于對駕駛室安全的考慮，縱梁系列零件一般比汽車外覆蓋件厚。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)量會進一步惡化，拉毛轉(zhuǎn)化成拉痕，甚至拉裂。如果拉毛過于嚴重，則會停止生產(chǎn)，由模修鉗工對模具表面進行拋光處理，嚴重影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。實踐表明，在沒有采取特殊處理的情況下，拉毛缺陷伴隨模具生產(chǎn)的全過程。只要是沖壓件都存在不同程度的拉毛缺陷，無論模具如何熱處理或淬火硬度多高，拉毛問題都無法避免。

（1）拉毛缺陷產(chǎn)生機理

在沖壓零件拉延成形過程中，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，剛開始是表面凸起部位油膜先失去，吸附層破壞，產(chǎn)生原子級接觸而出現(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在模具表面上，隨著拉延繼續(xù)深入，板料連續(xù)滑過模具表面，這些先粘附凸起部位更易擠壓破壞板料表面油膜而吸附、擴散和剝離板料表面，發(fā)生再次粘結。多次拉延，造成粘結點增生形成積瘤。積瘤的每層金屬晶粒都經(jīng)過了晶粒破碎和位錯變化，金屬塑性變形抗力增大，其硬度和強度顯著升高，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，可達到板料硬度的23.5倍。拉延不斷進行，長高的積瘤像一把鏟刀，會鏟去滑過積瘤處的金屬板料，產(chǎn)生劃傷鱗刺和犁溝損傷。東風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，仔細觀察模具表面，有粘結斑痕，拋光模具表面，再生產(chǎn)幾乎無改善。造成上述現(xiàn)象的原因是，零件成形深度深，成形流動阻力較大，模具和板料經(jīng)過摩擦發(fā)熱兩者咬合、粘結，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，拉延件表面拉毛增加了壓邊面進料阻力，因此需要頻繁調(diào)整設備壓力以維持最佳壓力條件穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，而產(chǎn)品棱線及危險斷面產(chǎn)生傷線或開裂的概率會數(shù)倍增加。b.拉毛刻痕易產(chǎn)生應力集中，導致零件首先從拉毛劃傷處出現(xiàn)裂紋，使車身早期損壞。c.拉毛刻痕易產(chǎn)生油漆缺陷。拉毛刻痕在油漆時，易出現(xiàn)細微排氣不暢，導致漆膜與金屬面間有氣隙，因振動或碰撞，氣隙處漆膜破裂而進氣、進水，零件容易生銹。d.增加人工修件工時。因車身零件結構特點，許多產(chǎn)品表面拉毛必然留在產(chǎn)品上。手工拋光打磨，會產(chǎn)生工時浪費。如對車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，嚴重影響生產(chǎn)效率。當零件出現(xiàn)嚴重拉毛缺陷后，需停機對模具表面進行拋光處理，每拋光一次耗時1015min，但每次拋光處理后僅能維持沖壓工件4050件，然后又會產(chǎn)生拉毛缺陷。

4.3縱梁成形模具的TD覆層處理

東風天錦車身縱梁系列共有10個零件，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條件。TD覆層處理技術是利用其高耐磨、抗粘結性能，從根本上解決成形類模具的表面拉傷零件和粘料問題，提高產(chǎn)品質(zhì)量和模具使用壽命。對縱梁零件建立相應生產(chǎn)儲備后，分批、分次逐一對每套模具的凹模和壓料圈進行TD覆層處理。對鑲塊進行外觀尺寸檢查，主要是檢查鑲塊表面有無缺陷，并測量鑲塊尺寸（便于吊裝）；對鑲塊進行打磨拋光處理，鑲塊之間打坡口，拋光后再進行TD處理，鑲塊表面粗糙度不發(fā)生變化。根據(jù)擴散理論，被覆碳化物的厚度取決于基體材料中碳原子的擴散情況，包括鹽浴溫度和處理時間。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，不可高于這個溫度。因為絕大部分模具在經(jīng)TD覆層處理后必須進行回火處理，目的是消除TD覆層處理模具的應力，提高其力學性能，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，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指標。

4.4TD覆層處理后模具的使用情況

縱梁系列模具項目是2008年底完成并投入批量生產(chǎn)的。在2010年，東風天錦駕駛室產(chǎn)量達到44000臺，月產(chǎn)最高數(shù)量達到5500臺。也就是說，縱梁系列模具經(jīng)過TD覆層處理后，分別累計沖壓生產(chǎn)達44000件，平均每批次生產(chǎn)2500件左右，最多一個批次生產(chǎn)3500件。這期間，無需人工拋光模具，縱梁零件表面無拉毛缺陷，TD表面處理技術取得了十分顯著的效果。圖4為已沖壓近5萬件的縱梁零件。對比模具TD覆層處理之前，2008年的產(chǎn)量按8000件計算，模具的拋修頻率平均50件1次，每次約10min，停機拋修模具工時為26.7h，壓機綜合臺時費為1200元，這樣每年可節(jié)約設備臺時費32000元，而且節(jié)約的人工修件費尚未計算，實際產(chǎn)生的經(jīng)濟效益也是相當明顯的。

4.5TD覆層模具的維護和保養(yǎng)

與任何設備及模具工裝一樣，再先進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、悉心保養(yǎng)。只有通過正確的維護保養(yǎng)方法，維持優(yōu)良的沖壓作業(yè)環(huán)境，才能延長模具的使用壽命，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)一批零件后都要對模具進行清洗。特別是對拉延成形類模具，將模具凸/凹模、壓料圈拆開，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，對應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)運環(huán)節(jié)，從材料開卷剪切到?jīng)_壓生產(chǎn)車間，用塑料薄膜對板料進行包裹，直到生產(chǎn)工位再打開，有效保證板料不受灰塵、雜質(zhì)污染，進而保證縱梁模具TD覆層不被破壞，提高沖壓件的生產(chǎn)質(zhì)量。

（3）定期維護

經(jīng)過一定批量（約3000件）生產(chǎn)后，TD覆層模具表面會發(fā)現(xiàn)有輕微粘結點，縱梁零件表面也有細劃痕，這時就必須對模具進行定期維護保養(yǎng)。當生產(chǎn)作業(yè)完成后，用超細油石（8001200目）輕推這些有手感的粘結點，直到手感光滑為止。油石拋光時最好沿走料方向反復推，切忌用粗油石或砂磚、砂輪拋打，否則會破壞周圍正常的光潔表面。上述細小的粘結點或粘結線，實質(zhì)不是上述真正意義的冷焊粘結現(xiàn)象。鑄件精加工后有細微的凹坑，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，流動時在微孔口邊緣鏟下一層，再沖壓再鏟一層，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，因此這些小凸點不會有過大的，所產(chǎn)生的劃傷為0.020.04mm。