TD处理在汽车纵梁模具的运用
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本文作者：李兵作者单位：东风汽车有限公司商用车车身厂
日本丰田中央研究所于20世纪70年代开发出td覆层处理技术，并将其成功用于汽车模具之中。该技术的应用大大提升了汽车模具的质量，加速了汽车模具的发展。
1TD覆层处理的工艺流程
TD覆层处理的工艺流程为尺寸测量→打磨抛光→脱脂处理→工件预热→TD覆层→淬火→回火→清理抛光→检验。具体做法是，将预处理的工件置于含有碳化物形成元素如钒、铌、铬高温盐浴中，温度保持在8501050℃，处理18h。此时，基体中所含的碳（主要指奥氏体中的固溶碳）会往外扩散至表面，与盐浴中的碳化物形成元素结合为碳化物。表面形成碳化物后，产生内外碳浓度的梯度。随着覆层过程的进行，碳不断向外扩散，使覆层加厚。
2TD覆层处理技术的优势
实践证明，TD覆层处理技术是目前避免冲压成形零件与模具拉伤问题经济而最有效的方法之一，可提高模具使用寿命数倍甚至数10倍，有极高的实用经济价值。表1是几种表面处理工艺的性能对比。从表1看出，TD同CVD（化学气相沉积法）、PVD（物理气相沉积法）的硬度、摩擦因数基本接近，但硬度远高于传统的渗碳、渗氮工艺；而PVD因膜层与基体结合力较差，难以发挥优势；CVD工艺的排出物会对环境产生污染，并对员工身体健康造成伤害，工艺比较难控制。从表1看出，TD覆层处理技术的优势还是很明显的。a.经TD覆层处理后的模具表面具有高硬度、低摩擦因数。b.TD覆层处理的覆层是冶金结合，有优异的抗咬合、抗拉伤性能。c.TD覆层处理后的模具耐磨性能可以提高几倍，甚至几十倍。从国内对Cr12MoV模具钢磨损失重数据对比分析资料的数据来看，经TD覆层处理工件的耐磨性是没经TD处理的45倍。d.TD覆层处理后模具的抗腐蚀性、抗氧化性也大幅度提高。从试验数据来看，经TD覆层处理的工件在低于400℃温度范围内具有很强的抗氧化性。
3TD覆层处理对模具材料的要求
TD覆层处理的原理是零件材料中的固溶碳原子进行长程扩散形成碳化物层，因此对模具材料的含碳量有基本要求。当模具材料的含碳量低于0.35%时，就不适合进行TD处理。从国内目前成熟的技术来看，SKD11、Cr12MoV、T10等高碳钢及高碳合金工具钢比较适合进行TD处理。但材料组织结构不均匀的工件在进行TD覆层处理时会产生变形、开裂，一般修补过的模具在焊缝处也会出现开裂现象。由于TD处理后的模具要进行淬火、回火处理，进行TD处理的零件含碳量会有所降低，影响零件材料的淬透性，因此进行TD处理的模具材料淬透性要求良好。另外，TD处理对模具表面也有一定要求。因TD处理形成的碳化物层与基体的结合力虽然比其他表面强化处理方法要强，但当基体表面有开口、裂纹缺陷时，TD覆层也极易发生剥落；而表面过于粗糙，除了隐藏缺陷外，经TD处理后会因硬度过高而大大增加打磨的时间。对已经进行过其他表面处理的模具，去除表面处理层后才能进行TD处理。目前，受TD处理设备和成本的限制，国内大部分TD加工企业只能加工500mm×1000mm以内的模具，超过这个尺寸的模具设备条件无法满足。因此，要处理尺寸偏大的模具，模具必须采用分镶块结构。
4TD覆层处理技术在汽车模具上的应用
汽车冲压成形零件最常见的质量缺陷是零件表面拉毛。拉毛刻痕不仅影响油漆质量及外观，而且容易产生应力集中，进而影响车身寿命。特别是对于汽车安全承载零件如汽车纵梁类零件，采用TD覆层处理技术对于降低或消除拉毛缺陷、提升整车安全性能、延长模具寿命、提高零件生产效率具有举足轻重的作用。
4.1车身纵梁系列零件
对于车身来说，纵梁系列零件处于驾驶室的正下方，主要起承载作用，是最重要的保安件。东风天锦驾驶室车身纵梁系列分为左右前纵梁、左右前内纵梁、左右前纵梁加强梁、左右后纵梁以及左右后内纵梁等10种零件，零件料厚最厚为2.3mm，最薄为1.4mm。
4.2纵梁零件拉毛问题原因分析
出于对驾驶室安全的考虑，纵梁系列零件一般比汽车外覆盖件厚。因此，其冲压成形的模具都要承受很高的成形压力，零件表面和模具表面容易产生拉毛缺陷（图1），如果继续生产，模具与零件表面质量会进一步恶化，拉毛转化成拉痕，甚至拉裂。如果拉毛过于严重，则会停止生产，由模修钳工对模具表面进行抛光处理，严重影响了产品质量和生产效率。实践表明，在没有采取特殊处理的情况下，拉毛缺陷伴随模具生产的全过程。只要是冲压件都存在不同程度的拉毛缺陷，无论模具如何热处理或淬火硬度多高，拉毛问题都无法避免。
（1）拉毛缺陷产生机理
在冲压零件拉延成形过程中，在力和摩擦作用下，模具表面和板料表面的吸附层和油膜被破坏，刚开始是表面凸起部位油膜先失去，吸附层破坏，产生原子级接触而出现冷焊现象。模具表面和板料表面的金属离子相互吸附、扩散，由于板料轧制和模具铸造或加工等产生晶粒缺陷，两种洁净表面金属离子吸附力大于有缺陷的原子键或正常原子键，板料晶粒被剥离而粘结在模具表面上，随着拉延继续深入，板料连续滑过模具表面，这些先粘附凸起部位更易挤压破坏板料表面油膜而吸附、扩散和剥离板料表面，发生再次粘结。多次拉延，造成粘结点增生形成积瘤。积瘤的每层金属晶粒都经过了晶粒破碎和位错变化，金属塑性变形抗力增大，其硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化现象。积瘤具有比板料更高的硬度，可达到板料硬度的23.5倍。拉延不断进行，长高的积瘤像一把铲刀，会铲去滑过积瘤处的金属板料，产生划伤鳞刺和犁沟损伤。东风天锦驾驶室左右前内纵梁成形工序件如图2。板料厚2.3mm。凸模材料采用MoCr铸铁，凹模和压料圈材料采用Cr12MoV。因零件成形深度深，生产到一定数量，零件外表面轻者划伤，重者出现犁沟和鳞刺现象。这时，仔细观察模具表面，有粘结斑痕，抛光模具表面，再生产几乎无改善。造成上述现象的原因是，零件成形深度深，成形流动阻力较大，模具和板料经过摩擦发热两者咬合、粘结，并在模具表面而产生积瘤。
（2）拉毛缺陷的主要危害
a.拉毛增大拉延阻力。冲压作业时，拉延件表面拉毛增加了压边面进料阻力，因此需要频繁调整设备压力以维持最佳压力条件稳定产品质量，而产品棱线及危险断面产生伤线或开裂的概率会数倍增加。b.拉毛刻痕易产生应力集中，导致零件首先从拉毛划伤处出现裂纹，使车身早期损坏。c.拉毛刻痕易产生油漆缺陷。拉毛刻痕在油漆时，易出现细微排气不畅，导致漆膜与金属面间有气隙，因振动或碰撞，气隙处漆膜破裂而进气、进水，零件容易生锈。d.增加人工修件工时。因车身零件结构特点，许多产品表面拉毛必然留在产品上。手工抛光打磨，会产生工时浪费。如对车身纵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费，严重影响生产效率。当零件出现严重拉毛缺陷后，需停机对模具表面进行抛光处理，每抛光一次耗时1015min，但每次抛光处理后仅能维持冲压工件4050件，然后又会产生拉毛缺陷。
4.3纵梁成形模具的TD覆层处理
东风天锦车身纵梁系列共有10个零件，7套成形模。凹模和压料圈材料采用Cr12MoV，镶块最大尺寸为420mm×540mm，最小尺寸为300mm×450mm，符合TD覆层处理的基本技术条件。TD覆层处理技术是利用其高耐磨、抗粘结性能，从根本上解决成形类模具的表面拉伤零件和粘料问题，提高产品质量和模具使用寿命。对纵梁零件建立相应生产储备后，分批、分次逐一对每套模具的凹模和压料圈进行TD覆层处理。对镶块进行外观尺寸检查，主要是检查镶块表面有无缺陷，并测量镶块尺寸（便于吊装）；对镶块进行打磨抛光处理，镶块之间打坡口，抛光后再进行TD处理，镶块表面粗糙度不发生变化。根据扩散理论，被覆碳化物的厚度取决于基体材料中碳原子的扩散情况，包括盐浴温度和处理时间。温度在8501050℃，核心工艺所需温度为920960℃。最佳温度与基体的最佳淬火温度相一致，不可高于这个温度。因为绝大部分模具在经TD覆层处理后必须进行回火处理，目的是消除TD覆层处理模具的应力，提高其力学性能，保证TD覆层处理的质量。图3为经TD表面覆层处理后的纵梁模具镶块。经检测，其TD覆层的厚度为812μm，硬度为5862HRC，完全符合TD覆层处理工艺的技术指标。
4.4TD覆层处理后模具的使用情况
纵梁系列模具项目是2008年底完成并投入批量生产的。在2010年，东风天锦驾驶室产量达到44000台，月产最高数量达到5500台。也就是说，纵梁系列模具经过TD覆层处理后，分别累计冲压生产达44000件，平均每批次生产2500件左右，最多一个批次生产3500件。这期间，无需人工抛光模具，纵梁零件表面无拉毛缺陷，TD表面处理技术取得了十分显著的效果。图4为已冲压近5万件的纵梁零件。对比模具TD覆层处理之前，2008年的产量按8000件计算，模具的抛修频率平均50件1次，每次约10min，停机抛修模具工时为26.7h，压机综合台时费为1200元，这样每年可节约设备台时费32000元，而且节约的人工修件费尚未计算，实际产生的经济效益也是相当明显的。
4.5TD覆层模具的维护和保养
与任何设备及模具工装一样，再先进的处理工艺也不可能一劳永逸，TD覆层处理后的模具也需要精心维护、悉心保养。只有通过正确的维护保养方法，维持优良的冲压作业环境，才能延长模具的使用寿命，提高冲压件的质量水平。
（1）模具清洗
在冲压车间新建了模具清洗阵地。按照工艺要求，每冲压生产一批零件后都要对模具进行清洗。特别是对拉延成形类模具，将模具凸/凹模、压料圈拆开，用热水彻底冲洗，除净油污、铁屑和砂粒等异物，最后用压缩空气吹干，避免生锈。经过清洗后的模具投入下批生产后，不仅能有效保证冲压件的生产质量，最重要的是能有效保证TD覆层不被破坏，提高模具使用寿命。
（2）板料清洁
经TD覆层处理后的纵梁模具，对应的也要保证纵梁生产板料的清洁。目前，主要采取两方面的措施。在材料的存放环节，用铝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；在材料的物流转运环节，从材料开卷剪切到冲压生产车间，用塑料薄膜对板料进行包裹，直到生产工位再打开，有效保证板料不受灰尘、杂质污染，进而保证纵梁模具TD覆层不被破坏，提高冲压件的生产质量。
（3）定期维护
经过一定批量（约3000件）生产后，TD覆层模具表面会发现有轻微粘结点，纵梁零件表面也有细划痕，这时就必须对模具进行定期维护保养。当生产作业完成后，用超细油石（8001200目）轻推这些有手感的粘结点，直到手感光滑为止。油石抛光时最好沿走料方向反复推，切忌用粗油石或砂砖、砂轮抛打，否则会破坏周围正常的光洁表面。上述细小的粘结点或粘结线，实质不是上述真正意义的冷焊粘结现象。铸件精加工后有细微的凹坑，坑的边缘像一把刀刃，材料在模具曲面变形区受挤压挤入凹坑，流动时在微孔口边缘铲下一层，再冲压再铲一层，直至填满微孔，凸出微孔口缘，状如积瘤，大到一定程度被板料带走，因此这些小凸点不会有过大的，所产生的划伤为0.020.04mm。
