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[冲压] 表面处理技术在汽车冲压模具上的应用和经验总结

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发表于 2020-9-25 11:13:54 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 zhaoxiang 于 2020-9-25 11:16 编辑

【汽车材料网】表面处理技术在汽车冲压模具上的应用和经验总结

来源:期刊-《汽车工艺与材料》;作者:田新峰 叶立渊
(北汽福田汽车股份有限公司)


摘要:为有效解决冲压钣金件拉毛问题,首先对行业内冲压模具表面处理方式进行比较,总结了不同表面处理方式的相关技术参数表;针对镀铬、激光熔覆、热扩散法碳化物覆层处理(Thermal Diffusion Carbide Coating Process,TD)、物理气相沉积(Physical Vapor Deposition,PVD)、脉冲等离子扩散(Pulsed Plasma Diffusion,PPD)这5种表面处理技术进行系统研究和经验总结。针对以上5种表面处理技术的质量提升措施,提出了具体的建议。通过选用合适的表面处理技术,不仅可以有效提升冲压件的表面质量,而且可以延长模具的使用寿命。
关键词:冲压模具 表面处理 拉毛

1
前言
随着汽车行业的高速发展,汽车钣金件不仅要美观而且要兼具较高的安全性。车身高强板的应用比例和数量也越来越高,对冲压模具的结构和表面强度提出了更高的要求。目前冲压件拉毛缺陷已经成为困扰汽车行业冲压生产质量的首要问题。
为有效应对冲压钣金件的拉毛问题,目前行业内大部分主机厂都在采用表面处理技术。对于覆盖件模具,行业内基本已用到铸铁类材质性能的最上限,大众已经开始选用更高级别的模具材质(ASSAB88)来适应高强板模具的开发,若不应用模具表面处理技术,依然无法解决拉毛问题。对覆盖件模具采用镀铬表面处理技术及对高强板采用TD、PVD表面处理技术,普通板采用PPD表面处理技术,目前已成为业内的共识。
在普通板覆盖件的拉延及翻整模具上,大众、上汽、吉利、传祺、长城、奇瑞选用材质为GGG70L,表面处理方式为镀铬。在高强板的拉延及翻整模具上,上汽、传祺、长城、奇瑞选用材质为SKD11,表面处理方式为TD、PVD、PPD。

2
不同的表面处理方式相关技术参数概况
针对不同的模具材质、板料强度、厚度和需求,选用最合适、最经济的表面处理技术,可以最大化地节约成本、提高效率、减少产品返工和不合格率,不同的表面处理方式相关技术参数,如表1所示。

3
镀铬技术
在镀铬电镀液中,被电镀物为阴极,不溶性金属(铅或铅合金)为阳极,接通电流后,电镀液中的铬离子(Cr6+),在阴极上放电析出金属铬,附着在被电镀物表面,形成镀铬层,镀层厚度通过电镀时间来控制,一般情况下通电1 h镀层厚度增加10 μm,常规镀层厚度在10~15 μm。镀铬可重复进行,但是在镀铬前需去除之前的镀层,镀层溶于盐酸等氢卤酸和热的浓硫酸中。

表1 不同的表面处理方式相关技术参数

3.1 镀铬流程
a.预处理(入货检查-清洗脱脂-打磨);
b.电镀(电镀前准备-实施电镀-环保处理);
c.后处理(清洗-打磨-检验);
d.交付。

3.2 镀铬处理设备及成品图示
通常大型铸造模具(模具外形尺寸,长度L+宽度B≥4.5 m)镀铬总时间在24 h左右,中小型铸造模具(模具外形尺寸,1.4 mm≤长度L+宽度B<4.5 m)镀铬总时间在12~20 h左右(图1,图2)。
基于环保和循环利用方面考虑,使用电镀液过滤设备(图3)将电镀液中杂质过滤后,提取洁净的含有铬化合物的混合液;然后通过电镀液转换设备(图4)将有价值的铬化合物进行提纯后加入电镀槽中,增加其浓度,达到再生和重复利用的目的。剩余废水经过环保无害化处理后进行排放。



图1 某车型侧围外板(镀铬后)


图2 某车型发盖外板(镀铬后)


图3 电镀液过滤设备

图4 电镀液转换设备

3.3 镀铬技术质量提升措施
a.模具型面及拉延面、拉延筋的沙眼、裂纹缺陷需补焊、修顺、研配合格,上线调试至制件表面无明显起皱且状态稳定后,方可实施镀铬处理,否则镀铬后寿命难以保证。
b.MoCr材质缺陷修复焊条不宜选含镍高的焊条(例如,45#、7#焊条的焊接性和硬度差,电镀附着性不好)。通过选择MH200CT焊条焊接型面;MH400T焊条焊接拉深筋,将焊接周边杂质、油污彻底清理,控制焊接电流和电压;由熟练技师焊接,可以有效减少裂纹和砂眼的产生,有利于提升镀铬质量和使用寿命[1]。
c.目前结构件类拉延模(凸模、凹模、压边圈)材料通常选用材质FCD600、MoCr、GM241,生产中容易在拉延筋、成型面、R角部位出现疲劳裂纹、针孔式缩松沙眼缺陷,修复难度大,镀铬效果不好。建议在新项目的关键质量拉延模具的材质上选用QT600、GM246、GGG70L。
d.实施镀铬处理后,需要及时清除模具表面杂质和油污,远离焊接高温环境,避免砂轮机粗砂纸打磨,及时钝化处理小缺陷(800号以上砂纸),可以有效延长模具镀铬使用寿命。
e.针对模具上难以通过焊接修复的大范围深度疲劳裂纹及大面积的沙眼缺陷,可以考虑先实施激光熔覆技术修复缺陷,而后再实施镀铬处理,相比人工焊接处理缺陷的模具镀铬使用寿命更长。

4
激光熔覆技术
激光熔覆技术,也被称为激光堆焊技术,是用高能激光束(104~106 W/cm2)辐照工件基体表面,使工件基体表面与熔覆材料快速熔为一体的技术。凝固硬化后具有耐磨性好、冲击韧性高、疲劳强度高的优点,可以显著延长模具使用寿命,针对覆盖件模具MoCr铸铁效果较明显。
该技术目前有2种常规方法,原料预置法和同步送料法。
a.原料预置法工艺较简单、操作较灵活,但基体熔深不易控制、稀释度较大,对人员技术要求比较高,需要合理分布原料粉末覆层,同时对粘结剂要求较高。
b.同步送料法更有利于工艺参数控制,生产效率和熔覆质量更易保证。

4.1 激光熔覆处理流程
a.预处理(将基材表面加热至400℃左右,去除表面及渗入油污);
b.预热(减少基材与熔覆层之间的温差,降低熔覆层冷缩应力);
c.激光熔覆处理—加热保温(消除熔覆层残余应力);
d.数控机加(模具表面与数模相符);
e.上线研配调试(制件合格);
f.交付。
4.2 激光熔覆相关重要过程
针对难以通过人工焊接修复的大面积缺陷,如拉延筋和模具型面的缺陷(沙眼、裂纹)(图5、图6)。


图5 拉延筋缺陷(沙眼、裂纹)


图6 模具型面缺陷(沙眼、裂纹)

首先应尽可能去除缺陷部位,然后在缺陷去除部位填充熔覆粉末,通过激光束将其快速加热并熔覆在模具缺陷部位(图7),激光熔覆处理后形成均匀致密的熔覆层(图8)。


图7 激光束熔覆处理中

图8 激光熔覆处理后
经数控机加和上线研配调试后,模具表面缺陷得到彻底修复(图9、图10)。

图9 拉延筋修复(熔覆、机加、研配)后

图10 模具型面修复(熔覆、机加、研配)后

4.3 激光熔覆技术质量提升措施[2]:
a.激光熔覆前的预处理注意事项:将模具缺陷(疲劳裂纹、组织疏松针孔)提前打磨、去除彻底,以最大程度减小激光熔覆后,应力裂纹的扩大趋势。
b.实施激光熔覆处理前,需对模具待处理面进行快速火焰烘烤,以消除表面残存的油污,而后对表面的锈迹进行彻底清理,以减少气孔及针状沙眼的产生,确保激光熔覆层的质量。
c.在激光功率等参数不变情况下,熔覆层硬度深度随激光移动速度的增加而减小,而硬化层硬度随扫描速度的变化不大。通过控制激光移动扫描速度,可以提升熔覆层的硬度并确保硬度分布均匀。
d.根据不同的模具基材选定合适的熔覆层粉末材质,以提高模具基材与熔覆层材质的有效熔合,得到硬度均匀的激光熔覆层,有效改善覆盖件拉延模的拉毛问题。
e.激光熔覆处理后的模具需定期实施保养和清洗,可以使用800号细砂纸沾煤油对模具表面进行抛光处理,对模具整体实施清洗、吹干、清擦和涂油润滑处理。

5
TD处理技术
TD表面覆层处理技术是熔盐浸镀法、电解法以及粉末法进行表面硬化处理技术的总称。其原理是在一定的处理温度下将工件置于硼砂熔盐及特种介质中,特种熔盐中的金属原子与模具中的碳、氮原子发生化学反应,扩散在模具表面而形成膜厚几微米至几十微米的钒、铌、铬、钛的金属碳化层。实践证明,这种覆盖层具有极高的耐磨性、抗崩刃性、耐蚀性。

5.1 TD处理流程
a.来料检测(镶块数量、重量、外观、材质牌号确认;硬度检测);
b.TD处理前打磨、抛光;
c.镶块装架;
d.TD处理(预热、TD淬火、淬火、回火);
e.清洗和钻孔;
f.TD后检测(外观尺寸、TD皮膜厚度及硬度);
g.尺寸调整和尺寸确认;
h.TD后拋光;
i.检测;
j.交付。

5.2 TD处理相关重要过程
a.实施TD处理流程a、b后,将镶块装夹在器具上(图11);
b.然后吊入电炉中(图12)实施TD处理;
c.通过操作面板来控制电柜(图13)调节盐浴温度、时间等工艺参数;
d.TD处理完毕得到TD后的模具镶块(图14)。


图11 TD前模具镶块装夹

图12 TD控制电柜

图13 TD电炉

图14 TD后模具镶块

5.3 TD处理适用模具材质
国产材料与日本材料相比,TD处理后基体容易开裂,工艺参数设定有所不同。故在实施TD处理前需确认模具镶块材质、热处理淬火、回火数据和材料供应商资料。重点需区分Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1。特别适合TD处理的冷作模具钢,有以下3个系列,如表2所示。

表2 TD处理冷作模具钢材质(特别适宜)

5.4 TD技术质量提升措施
a.通过选用包括 CMC-EMagic6、TM2000、SU⁃PER7、WeD-45、WeD-7、WeD-6a这6种不同型号焊条,依次在SKD11上试焊3 cm长的焊接面,将焊接面表面打磨光滑,实施TD处理后检测膜厚、硬度参数,观察其外观缺陷。经过综合评价,使用型号为SUPER7、WeD-6a的焊条在SKD11母材上焊接,实施TD处理后综合效果最佳(皮膜厚度、硬度、外观质量缺陷等),可以确保TD后质量的稳定性[3]。
b.TD层在500℃左右出现氧化现象,TD处理后当模具镶块局部出现氧化缺陷时,需要及时局部钝化抛光处理,延长镶块使用寿命。
c.经过3~5次TD处理后母材表面的碳原子含量会逐渐减少,如果母材表面脱碳层深度达到了0.5 mm以上,TD后模具镶块表面成膜会较差,严重时会引起镶块开裂,当出现以上缺陷时,就不适合再做TD了。
d.经过PVD/氮化处理的模具零件,必须去除镀层才能进行TD处理。否则难以形成TD层(镀层阻隔碳元素的扩散)。
e.实际生产中,TD时间与膜厚控制关系如表3所示。

表3 TD时间与膜厚控制关系

6
PVD涂层技术
PVD是指通过物理方法在真空条件下将固体或液体材料蒸发成气态原子、分子或离子状态,并采用低压气体(或等离子体)工艺,在基板表面上沉积具有特殊功能膜的技术,主要包括真空蒸镀、溅射镀膜和离子镀膜这3种基本方法。PVD涂层具有耐磨性、抗氧化性、耐腐蚀性、抗疲劳和自润滑性等特性。

6.1 PVD处理流程
a.入货检查(镶块数量、尺寸);
b.研磨抛光;
c.超声波清洗;
d.真空氮化;
e.研磨抛光;
f.超声波清洗;
g.表面处理;
h.研磨抛光;
i.检查;
j.交付。

6.2 PVD处理设备及相关图示
PVD处理的模具镶块零件装夹(图15)与TD处理的装夹方式类似(图11);PVD涂层设备(图16)的工作原理为“物理气相沉积”,与TD处理工作原理(图12)“硼砂盐浴法”有所不同。


图15 模具镶块零件装夹

图16 PVD涂层设备

6.3 PVD处理适用模具材质
PVD处理适用模具材质如表4所示。
表4 PVD处理适用冷冲模具材质


6.4 PVD技术质量提升措施
a.在冷作模具钢Cr12MoV上,更适合涂覆的PVD涂层一般为Ti/TiN,膜基结合力是一个综合指标,通过改善沉积工艺,如(沉积压力、偏压、离子能量和气体前体等)可以将涂层应力逐渐释放,提高膜基结合力。
b.冷作模具钢SKD11、Cr12MoV表面进行PVD涂层前先实施渗碳、渗氮处理,得到中间薄层能为Ti/TiN提供较强的力学支撑,而后再进行Ti/TiN复合处理,综合力学性能表现更好,寿命更长。

7
PPD技术
PPD等离子体渗氮技术是在低压渗氮气氛中,当渗氮炉中真空度达到一定数值,在模具零件阴极,壳体阳极之间施加电压,阴、阳间气体被击穿后,产生辉光放电,稀薄气体被电离形成等离子体气氛的技术。该项技术可显著提高金属材料表面硬度、耐磨性、耐蚀性和高温抗氧化性能。同时具有节约能源、效率高的优点。

7.1 PPD流程(大约30~50 h)
a.入货检查(镶块数量、尺寸);
b.清洗;
c.表面抛光;
d.装炉;
e.PPD处理(升温-保温-降温);
f.精抛光;
g.检测;
h.交付。

7.2 PPD处理设备及相关过程
将模具零件装入渗氮炉体(图17),通过操控PPD工艺触控式操作屏(图18),控制脉冲等离子电源发生器(图19),确保渗氮过程中温度、脉冲间隔、电压和气体成分精确地控制在设定值,当氮气和氢气分子电离后,氮气离子迅速渗入模具基体表面,形成硬化渗氮区域。最终得到处理后零件(图20)。


图17 渗氮炉体:Φ0.7 m、Φ1.5 m、Φ3.5 m

图18 PPD工艺触控式操作屏

图19 脉冲等离子电源发生器

图20 PPD处理后发盖凸模

7.3 PPD技术适用模具材质
模具经过脉冲等离子渗氮或氮碳共渗后可以形成表层氮化铁硬化层和基体扩散渗透层的双重硬化效果。外板件拉延模经过PPD处理后,使用寿命可达40万冲次以上。PPD技术适用模具材质,如表5所示。

表5 PPD技术适用模具材质


7.4 PPD技术质量提升措施:
a.该项技术的优势在于通过对工艺参数的调整,可进行渗层组织结构的优化。关键工艺参数包括:渗氮温度(T)、渗氮时间(t)、渗氮电压(U)、渗氮气氛、渗氮炉内气压(Torr)、电流密度(IA)。
b.渗氮温度(T)和时间(t)对扩散层的性能和厚度影响起主导作用。相关实验研究数据表明[4]。
时间影响,在773 K以下渗氮时间超过240 min才会出现明显的Ti2N、TiN衍射峰;在973 K以下渗氮15 min就会出现明显的Ti2N、TiN衍射峰。
温度影响,在650~750℃渗氮,随着渗氮温度提高,渗氮层Ti2N、TiN增多,硬度和耐磨性也随之提高。
c.实施氮化工艺前的预处理工艺,通过实施脉冲磁化处理,可有效释放模具零件内部的应力;随后实施脉冲等离子渗氮工艺,可以大幅提高氮化后模具零件质量及相关力学机械性能。

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结束语
不同的表面处理技术具有不同的适用范围和物理性能。生产企业在选用不同的热处理方式时,需要根据模具材质、钣金厚度、钣金强度、生产使用寿命、成本因素、质量要求的不同,选择适合的热处理工艺方式。
任何一种热处理方式的最终质量是否能够达到或超过预期寿命,不仅在于选择合适的热处理工艺方式,更重要的在于模具压料面、成型面、拉延筋和镶块等关键部位的缺陷(如开裂、沙眼)是否有效消除,以及模具工作部位铸件或锻件的材质、质量、型号是否达标。所以一方面在模具实施热处理之前,必须选用合适的修复工艺(如焊条、焊接设备和焊接及热处理工艺等)将上述缺陷尽可能消除,并且将模具调试至趋于稳定状态。另一方面在新品模具开发阶段,在控制模具开发成本的同时,要严格控制模具选材的质量,可以通过以下方式进行管控,在模具开发技术协议中明确模具材质供应商选择范围;在协议中明确,不同的模具部位应选用的模具材质型号;要求提供每套模具的材质检测合格报告;抽取一定比例的模具材质,在第三方检测机构实施检测;对保利龙的设计、制造、加工过程进行过程管控和验收;对铸件或镶块质量进行验收的方式加以控制。


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