表面处理技术在汽车冲压模具中的应用研究

随着汽车行业的迅猛发展，汽车车身冲压零部件的质量要求也越来越高，对冲压模具开发制造提出了更高要求，如何提高模具的质量及使用寿命成为行业迫切需要解决的问题。汽车冲压模具在使用过程中一旦出现问题，不仅会影响模具使用寿命，还会影响冲压制件的表面质量，比如会发生刀口崩刃、冲孔带料、制件毛刺及冲孔废料堵塞等现象。表面处理技术在提高模具表面性能的同时，保证了制件的高质量，为汽车整体性能及外观的改善带来了更多可能。但由于汽车冲压件本身材质及厚度种类繁多，模具表面处理技术种类也较多，针对不同零件的材质和厚度，选择何种表面处理技术在行业内还没有形成较好的规范。

模具的表面处理技术，主要是通过表面涂覆、表面改性或表面复合处理技术，来改变模具表面的组织结构、化学成分或应力状态。在模具上使用的表面处理技术方法有很多种，主要可以归纳为：物理气相沉积、化学气相沉积和覆层处理。按表面处理的原理又可分为：物理方法、化学方法和机械方法。目前在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积技术。下面就介绍几种在汽车冲压模具上应用较多的表面处理方法。

气相沉积法

气相沉积法主要有物理气相沉积法（PVD）和化学气相沉积法（CVD）。PVD是在真空条件下进行的，通过采用不同的物理方法，将待沉积的材料气化，将得到的分子、原子或离子沉积到基体材料表面。按照气化机理的不同，PVD主要包括真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀膜3种基本方法。

真空蒸镀设备操作简单，沉积速度快，但是因气化离子的动能低，镀层与基体的结合力较弱，且高熔点物质和低蒸汽压物质（如Pt、Mo等）的镀膜制作困难。溅射镀膜由于气化粒子的动能大，故镀膜致密，与基体的结合力高，缺点是镀膜沉积速度较慢、设备昂贵。离子镀膜过程中参与沉积不仅有原子和分子，还有一部分能量较高的离子一起参与成膜，这就很大程度上提高了膜层与基体之间的结合力。但是受到蒸发源的限制，高熔点镀膜材料的蒸发镀较困难，而且设备复杂、昂贵。

CVD技术是一种热力学决定的高温热化学反应，它是利用气态的物质在固体表面上进行化学反应而生成固态沉积物的过程。CVD制备的膜层具有致密度高、气孔少、均镀性好及膜基结合力大的特点，性能相当优良。普通热CVD技术有一个很难避免的缺点就是过高的沉积温度（＞1 000℃）。对那些不允许或不易于进行高温加热的基体材料（如严格控制变形的精密件），则必须采用辐射激发或放电激发的CVD技术，这种情况下制作的成本又被加大了。

化学镀

面对PVD法操作困难以及设备昂贵和CVD法必须在高温条件下进行的限制，目前还没有较为有效的解决方案。但除了CVD和PVD法以外，另外一种制膜技术──化学镀也越来越受到关注。早在19世纪40年代，Wutz用次磷酸盐在镍溶液中还原出金属镍，化学镀便开始发展。但化学镀真正的应用却是在100多年以后，1946年美国国家标准局的A.Brenner和G.Riddell利用化学镀的原理成功地在管子内部镀覆了Ni-P合金，该工艺自此走向了实际应用。例如，Ni-P-PTFE复合化学镀层具有良好的润滑作用，其不粘附的特性对模具脱模非常有利，特别是对于复杂形状的塑料压铸模具、橡胶模具都能起到很好的保护作用。

随着工业发展需求的提高，近年来还出现了将高硬度的颗粒与具有自润滑性的颗粒同时加入化学复合镀中的研究。比如将SiC和MoS2两种粒子同时加入Ni-P合金基质中，从而得到Ni-P-SiC-MoS2复合镀层。镀态时为非晶态结构，且复合镀层的硬度低于Ni-P-SiC而高于Ni-P-MoS2镀层。Ni-P-SiC-MoS2复合镀层摩擦磨损性能也比Ni-P-SiC镀层高，是一种具有良好自润滑性及耐磨性的优良复合镀层。另外，Ni-P-SiC-PTFE化学复合镀层也具有良好的耐磨性和自润滑性，但由于PTFE不耐高温，因此Ni-P-SiC-PTFE多元化学复合镀工艺主要用于塑料模具的表面处理。

化学镀也称自催化镀，施镀过程不需要电流，而是利用化学镀液中的氧化还原反应，还原出溶液中的金属离子（如镍离子、铜离子等），被还原后的金属会沉积在工件表面（工件表面必须具有自催化活性），从而形成镀层。化学镀从种类上可分为二元合金镀层、三元合金镀层以及加入第二相粒子获得的复合镀层。近年来化学复合镀技术不断发展，具有不同特性的粒子与基质金属组合参与到化学复合镀过程中，便可以得到较好耐蚀性、较高硬度或者其他特殊性能的功能性镀层。粒子复合过程分以下几个阶段（图1）。

图1 粒子吸附共沉积阶段示意图

（1）微粒悬浮分散在镀液中，随着溶液的流动（搅拌作用提供）被传送到试样表面附近，并在液体流动作用的带动下与试样表面发生物理碰撞。

（2）与试样表面发生碰撞的部分微粒吸附于试样上，粒子能否被吸附不仅与微粒本身的物理性质有关，而且与粒子的电化学特性也有关。

（3）吸附于试样上的微粒被化学沉积的金属包覆。这个步骤不仅与微粒自身的性能有关，还与镀液的流动速度、镀层的沉积速率及镀液中微粒的添加量等因素有重要关系。

（4）部分微粒被吸附在基体表面时，氧化还原反应析出的金属镍等也会沉积在基体表面，它们逐步积累后掩盖住一部分微粒，形成复合镀层。

渗碳、渗氮

渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮和液体渗氮等方式。每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术，可以适应不同钢种和工件的要求。由于渗氮技术可以形成优良性能的表面，并且渗氮工艺与模具钢的淬火工艺有良好的协调，再加上渗氮温度低，渗氮后不需激烈冷却，模具的变形极小，因此，模具的表面强化是采用渗氮技术较早，也是应用最广泛的。

模具渗碳的目的主要是为了提高模具整体强韧性，即模具的工作表面具有高强度和耐磨性。由此引入的技术思路是，用较低级的材料，即通过渗碳淬火来代替较高级别的材料，从而降低制造成本。

模具材料的预硬化技术

模具在制造过程中，进行热处理是绝大多数模具长时间沿用的一种工艺。自20世纪70年代开始，国际上就提出预硬化的想法，但由于加工机床刚度和切削刀具的制约，预硬化的硬度无法达到模具的使用硬度，所以对预硬化技术的研发投入并不大。

随着加工机床和切削刀具性能的提高，模具材料的预硬化技术开发速度也随之加快。到20世纪80年代，工业发达国家在塑料模用材上使用预硬化模块的比例已达到30%（目前在60%以上）。我国在20世纪90年代中后期，开始采用预硬化模块（主要用国外进口产品）。

模具材料的预硬化技术主要在模具材料生产厂家开发和实施。

通过调整钢的化学成分和配备相应的热处理设备，可以大批量生产质量稳定的预硬化模块。我国在模具材料的预硬化技术方面起步较晚且规模小，目前还不能满足国内模具制造的要求。

TD覆层处理

TD覆层处理是热扩散法碳化物覆层处理的简称，英文简称TDcoating。因该技术由日本丰田中央研究所首先研制成功并申请专利，又被称为Toyota Diffusion Proeess，简称TDPoreess即TD处理，我国也称之为熔盐渗金属。无论其名称如何，工作原理都是将工件置于熔融硼砂混合物中，通过高温扩散作用于工件表面，形成金属碳化物覆层。该碳化物覆层可以是钒、铌、铬及钛等碳化物，也可以是复合碳化物，其中应用最广泛的是碳化钒覆层。大量的实践证明，在工件表面形成一层高硬度的耐磨材料，可提高工件耐磨、抗咬合和耐蚀等性能，从而提高其使用寿命。

以碳化钒覆层为例，其表面硬度可达3 200 HV左右，较传统的表面处理方法如渗碳（900 HV）、渗氮（1 200 HV）、镀硬铬（1 000 HV）甚至渗硼（1 200～1 800 HV）等表面处理的硬度高得多。TD覆层处理是目前解决拉伤问题经济最有效的方法之一，并可以提高模具使用寿命数倍甚至数十倍，极具使用价值。

结束语

高速发展的汽车产业需要高性能模具的支撑，高端模具需要高水平的模具强化技术。不同的表面处理技术具有不同的工艺特点，针对模具材质、前处理、喷涂及后处理过程选择有效的方法即可。其中化学镀层具有涂层致密、韧性好和高硬耐磨等优点，能够满足冷冲模具的使用要求。随着环境对制造业低污染、低能耗及高性能的要求，绿色制造技术会拥有更加广阔的市场前景。

作者：张翠杰、王文龙

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