表面處理技術(shù)在汽車沖壓模具中的應(yīng)用研究

張翠杰、王文龍

（1. 鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院 451152；2. 河南工學(xué)院 453000)

隨著汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，汽車車身沖壓零部件的質(zhì)量要求也越來越高，對(duì)沖壓模具開發(fā)制造提出了更高要求，如何提高模具的質(zhì)量及使用壽命成為行業(yè)迫切需要解決的問題。汽車沖壓模具在使用過程中一旦出現(xiàn)問題，不僅會(huì)影響模具使用壽命，還會(huì)影響沖壓制件的表面質(zhì)量，比如會(huì)發(fā)生刀口崩刃、沖孔帶料、制件毛刺及沖孔廢料堵塞等現(xiàn)象。表面處理技術(shù)在提高模具表面性能的同時(shí)，保證了制件的高質(zhì)量，為汽車整體性能及外觀的改善帶來了更多可能。但由于汽車沖壓件本身材質(zhì)及厚度種類繁多，模具表面處理技術(shù)種類也較多，針對(duì)不同零件的材質(zhì)和厚度，選擇何種表面處理技術(shù)在行業(yè)內(nèi)還沒有形成較好的規(guī)范[1]。

模具的表面處理技術(shù)，主要是通過表面涂覆、表面改性或表面復(fù)合處理技術(shù)，來改變模具表面的組織結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分或應(yīng)力狀態(tài)。在模具上使用的表面處理技術(shù)方法有很多種，主要可以歸納為：物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積和覆層處理。按表面處理的原理又可分為：物理方法、化學(xué)方法和機(jī)械方法。目前在模具制造中應(yīng)用較多的主要是滲氮、滲碳和硬化膜沉積技術(shù)。下面就介紹幾種在汽車沖壓模具上應(yīng)用較多的表面處理方法。

1 氣相沉積法

氣相沉積法主要有物理氣相沉積法（PVD）和化學(xué)氣相沉積法（CVD）。PVD是在真空條件下進(jìn)行的，通過采用不同的物理方法，將待沉積的材料氣化，將得到的分子、原子或離子沉積到基體材料表面。按照氣化機(jī)理的不同，PVD主要包括真空蒸鍍、濺射鍍膜和離子鍍膜3種基本方法。

真空蒸鍍?cè)O(shè)備操作簡(jiǎn)單，沉積速度快，但是因氣化離子的動(dòng)能低，鍍層與基體的結(jié)合力較弱，且高熔點(diǎn)物質(zhì)和低蒸汽壓物質(zhì)（如Pt、Mo等）的鍍膜制作困難。濺射鍍膜由于氣化粒子的動(dòng)能大，故鍍膜致密，與基體的結(jié)合力高，缺點(diǎn)是鍍膜沉積速度較慢、設(shè)備昂貴。離子鍍膜過程中參與沉積不僅有原子和分子，還有一部分能量較高的離子一起參與成膜，這就很大程度上提高了膜層與基體之間的結(jié)合力。但是受到蒸發(fā)源的限制，高熔點(diǎn)鍍膜材料的蒸發(fā)鍍較困難，而且設(shè)備復(fù)雜、昂貴。

CVD技術(shù)是一種熱力學(xué)決定的高溫?zé)峄瘜W(xué)反應(yīng)，它是利用氣態(tài)的物質(zhì)在固體表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)而生成固態(tài)沉積物的過程。CVD制備的膜層具有致密度高、氣孔少、均鍍性好及膜基結(jié)合力大的特點(diǎn)，性能相當(dāng)優(yōu)良。普通熱CVD技術(shù)有一個(gè)很難避免的缺點(diǎn)就是過高的沉積溫度（＞1 000℃）。對(duì)那些不允許或不易于進(jìn)行高溫加熱的基體材料（如嚴(yán)格控制變形的精密件），則必須采用輻射激發(fā)或放電激發(fā)的CVD技術(shù)，這種情況下制作的成本又被加大了。

2 化學(xué)鍍

面對(duì)PVD法操作困難以及設(shè)備昂貴和CVD法必須在高溫條件下進(jìn)行的限制，目前還沒有較為有效的解決方案。但除了CVD和PVD法以外，另外一種制膜技術(shù)──化學(xué)鍍也越來越受到關(guān)注。早在19世紀(jì)40年代，Wutz用次磷酸鹽在鎳溶液中還原出金屬鎳，化學(xué)鍍便開始發(fā)展。但化學(xué)鍍真正的應(yīng)用卻是在100多年以后，1946年美國國家標(biāo)準(zhǔn)局的A.Brenner和G.Riddell利用化學(xué)鍍的原理成功地在管子內(nèi)部鍍覆了Ni-P合金，該工藝自此走向了實(shí)際應(yīng)用。例如，Ni-P-PTFE復(fù)合化學(xué)鍍層具有良好的潤滑作用，其不粘附的特性對(duì)模具脫模非常有利，特別是對(duì)于復(fù)雜形狀的塑料壓鑄模具、橡膠模具都能起到很好的保護(hù)作用。

隨著工業(yè)發(fā)展需求的提高，近年來還出現(xiàn)了將高硬度的顆粒與具有自潤滑性的顆粒同時(shí)加入化學(xué)復(fù)合鍍中的研究。比如將SiC和MoS2兩種粒子同時(shí)加入Ni-P合金基質(zhì)中，從而得到Ni-P-SiC-MoS2復(fù)合鍍層。鍍態(tài)時(shí)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，且復(fù)合鍍層的硬度低于Ni-P-SiC而高于Ni-P-MoS2鍍層。Ni-P-SiC-MoS2復(fù)合鍍層摩擦磨損性能也比Ni-P-SiC鍍層高，是一種具有良好自潤滑性及耐磨性的優(yōu)良復(fù)合鍍層。另外，Ni-P-SiC-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍層也具有良好的耐磨性和自潤滑性，但由于PTFE不耐高溫，因此Ni-P-SiC-PTFE多元化學(xué)復(fù)合鍍工藝主要用于塑料模具的表面處理[2]。

化學(xué)鍍也稱自催化鍍，施鍍過程不需要電流，而是利用化學(xué)鍍液中的氧化還原反應(yīng)，還原出溶液中的金屬離子（如鎳離子、銅離子等），被還原后的金屬會(huì)沉積在工件表面（工件表面必須具有自催化活性），從而形成鍍層?；瘜W(xué)鍍從種類上可分為二元合金鍍層、三元合金鍍層以及加入第二相粒子獲得的復(fù)合鍍層。近年來化學(xué)復(fù)合鍍技術(shù)不斷發(fā)展，具有不同特性的粒子與基質(zhì)金屬組合參與到化學(xué)復(fù)合鍍過程中，便可以得到較好耐蝕性、較高硬度或者其他特殊性能的功能性鍍層。粒子復(fù)合過程分以下幾個(gè)階段（圖1）。

圖1 粒子吸附共沉積階段示意圖

（1）微粒懸浮分散在鍍液中，隨著溶液的流動(dòng)（攪拌作用提供）被傳送到試樣表面附近，并在液體流動(dòng)作用的帶動(dòng)下與試樣表面發(fā)生物理碰撞。

（2）與試樣表面發(fā)生碰撞的部分微粒吸附于試樣上，粒子能否被吸附不僅與微粒本身的物理性質(zhì)有關(guān)，而且與粒子的電化學(xué)特性也有關(guān)。

（3）吸附于試樣上的微粒被化學(xué)沉積的金屬包覆。這個(gè)步驟不僅與微粒自身的性能有關(guān)，還與鍍液的流動(dòng)速度、鍍層的沉積速率及鍍液中微粒的添加量等因素有重要關(guān)系。

（4）部分微粒被吸附在基體表面時(shí)，氧化還原反應(yīng)析出的金屬鎳等也會(huì)沉積在基體表面，它們逐步積累后掩蓋住一部分微粒，形成復(fù)合鍍層。

3 滲碳、滲氮

滲氮工藝有氣體滲氮、離子滲氮和液體滲氮等方式。每一種滲氮方式中，都有若干種滲氮技術(shù)，可以適應(yīng)不同鋼種和工件的要求。由于滲氮技術(shù)可以形成優(yōu)良性能的表面，并且滲氮工藝與模具鋼的淬火工藝有良好的協(xié)調(diào)，再加上滲氮溫度低，滲氮后不需激烈冷卻，模具的變形極小，因此，模具的表面強(qiáng)化是采用滲氮技術(shù)較早，也是應(yīng)用最廣泛的。

模具滲碳的目的主要是為了提高模具整體強(qiáng)韌性，即模具的工作表面具有高強(qiáng)度和耐磨性。由此引入的技術(shù)思路是，用較低級(jí)的材料，即通過滲碳淬火來代替較高級(jí)別的材料，從而降低制造成本。

4 模具材料的預(yù)硬化技術(shù)

模具在制造過程中，進(jìn)行熱處理是絕大多數(shù)模具長時(shí)間沿用的一種工藝。自20世紀(jì)70年代開始，國際上就提出預(yù)硬化的想法，但由于加工機(jī)床剛度和切削刀具的制約，預(yù)硬化的硬度無法達(dá)到模具的使用硬度，所以對(duì)預(yù)硬化技術(shù)的研發(fā)投入并不大。

隨著加工機(jī)床和切削刀具性能的提高，模具材料的預(yù)硬化技術(shù)開發(fā)速度也隨之加快。到20世紀(jì)80年代，工業(yè)發(fā)達(dá)國家在塑料模用材上使用預(yù)硬化模塊的比例已達(dá)到30%（目前在60%以上）。我國在20世紀(jì)90年代中后期，開始采用預(yù)硬化模塊（主要用國外進(jìn)口產(chǎn)品）。

模具材料的預(yù)硬化技術(shù)主要在模具材料生產(chǎn)廠家開發(fā)和實(shí)施。通過調(diào)整鋼的化學(xué)成分和配備相應(yīng)的熱處理設(shè)備，可以大批量生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定的預(yù)硬化模塊。我國在模具材料的預(yù)硬化技術(shù)方面起步較晚且規(guī)模小，目前還不能滿足國內(nèi)模具制造的要求。

5 TD覆層處理

TD覆層處理是熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理的簡(jiǎn)稱，英文簡(jiǎn)稱TDcoating。因該技術(shù)由日本豐田中央研究所首先研制成功并申請(qǐng)專利，又被稱為Toyota Diffusion Proeess，簡(jiǎn)稱TDPoreess即TD處理，我國也稱之為熔鹽滲金屬。無論其名稱如何，工作原理都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、鉻及鈦等碳化物，也可以是復(fù)合碳化物，其中應(yīng)用最廣泛的是碳化釩覆層。大量的實(shí)踐證明，在工件表面形成一層高硬度的耐磨材料，可提高工件耐磨、抗咬合和耐蝕等性能，從而提高其使用壽命。以碳化釩覆層為例，其表面硬度可達(dá)3 200 HV左右，較傳統(tǒng)的表面處理方法如滲碳（900 HV）、滲氮（1 200 HV）、鍍硬鉻（1 000 HV）甚至滲硼（1 200～1 800 HV）等表面處理的硬度高得多。TD覆層處理是目前解決拉傷問題經(jīng)濟(jì)最有效的方法之一，并可以提高模具使用壽命數(shù)倍甚至數(shù)十倍，極具使用價(jià)值。

6 結(jié)束語

高速發(fā)展的汽車產(chǎn)業(yè)需要高性能模具的支撐，高端模具需要高水平的模具強(qiáng)化技術(shù)。不同的表面處理技術(shù)具有不同的工藝特點(diǎn)，針對(duì)模具材質(zhì)、前處理、噴涂及后處理過程選擇有效的方法即可[3]。其中化學(xué)鍍層具有涂層致密、韌性好和高硬耐磨等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足冷沖模具的使用要求。隨著環(huán)境對(duì)制造業(yè)低污染、低能耗及高性能的要求，綠色制造技術(shù)會(huì)擁有更加廣闊的市場(chǎng)前景。