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    表面處理技術在汽車沖壓模具中的應用研究

    2021-09-07 16:20:26 來源:
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    導讀:

    隨著汽車行業的迅猛發展,汽車車身沖壓零部件的質量要求也越來越高,對沖壓模具開發制造提出了更高要求,如何提高模具的質量及使用壽命成為行業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問題,不僅會影響模具使用壽命,還會影響沖壓制件的表面質量,比如會發生刀口崩刃、沖孔帶料、制件毛刺及沖孔廢料堵塞等現象。表面處理技術在提高模具表面性能的同時,保證了制件的高質量,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及厚度種類繁多,模具表面處理技術種類也較多,針對不同零件的材質和厚度,選擇何種表面處理技術在行業內還沒有形成較好的規范。

    模具的表面處理技術,主要是通過表面涂覆、表面改性或表面復合處理技術,來改變模具表面的組織結構、化學成分或應力狀態。在模具上使用的表面處理技術方法有很多種,主要可以歸納為:物理氣相沉積、化學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、化學方法和機械方法。目前在模具制造中應用較多的主要是滲氮、滲碳和硬化膜沉積技術。下面就介紹幾種在汽車沖壓模具上應用較多的表面處理方法。

    氣相沉積法

    氣相沉積法主要有物理氣相沉積法(PVD)和化學氣相沉積法(CVD)。PVD是在真空條件下進行的,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。

    真空蒸鍍設備操作簡單,沉積速度快,但是因氣化離子的動能低,鍍層與基體的結合力較弱,且高熔點物質和低蒸汽壓物質(如Pt、Mo等)的鍍膜制作困難。濺射鍍膜由于氣化粒子的動能大,故鍍膜致密,與基體的結合力高,缺點是鍍膜沉積速度較慢、設備昂貴。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合力。但是受到蒸發源的限制,高熔點鍍膜材料的蒸發鍍較困難,而且設備復雜、昂貴。

    CVD技術是一種熱力學決定的高溫熱化學反應,它是利用氣態的物質在固體表面上進行化學反應而生成固態沉積物的過程。CVD制備的膜層具有致密度高、氣孔少、均鍍性好及膜基結合力大的特點,性能相當優良。普通熱CVD技術有一個很難避免的缺點就是過高的沉積溫度(>1 000℃)。對那些不允許或不易于進行高溫加熱的基體材料(如嚴格控制變形的精密件),則必須采用輻射激發或放電激發的CVD技術,這種情況下制作的成本又被加大了。

    化學鍍

    面對PVD法操作困難以及設備昂貴和CVD法必須在高溫條件下進行的限制,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──化學鍍也越來越受到關注。早在19世紀40年代,Wutz用次磷酸鹽在鎳溶液中還原出金屬鎳,化學鍍便開始發展。但化學鍍真正的應用卻是在100多年以后,1946年美國國家標準局的A.Brenner和G.Riddell利用化學鍍的原理成功地在管子內部鍍覆了Ni-P合金,該工藝自此走向了實際應用。例如,Ni-P-PTFE復合化學鍍層具有良好的潤滑作用,其不粘附的特性對模具脫模非常有利,特別是對于復雜形狀的塑料壓鑄模具、橡膠模具都能起到很好的保護作用。

    隨著工業發展需求的提高,近年來還出現了將高硬度的顆粒與具有自潤滑性的顆粒同時加入化學復合鍍中的研究。比如將SiC和MoS2兩種粒子同時加入Ni-P合金基質中,從而得到Ni-P-SiC-MoS2復合鍍層。鍍態時為非晶態結構,且復合鍍層的硬度低于Ni-P-SiC而高于Ni-P-MoS2鍍層。Ni-P-SiC-MoS2復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良復合鍍層。另外,Ni-P-SiC-PTFE化學復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多元化學復合鍍工藝主要用于塑料模具的表面處理。

    化學鍍也稱自催化鍍,施鍍過程不需要電流,而是利用化學鍍液中的氧化還原反應,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合鍍層。近年來化學復合鍍技術不斷發展,具有不同特性的粒子與基質金屬組合參與到化學復合鍍過程中,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。粒子復合過程分以下幾個階段(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(攪拌作用提供)被傳送到試樣表面附近,并在液體流動作用的帶動下與試樣表面發生物理碰撞。

    (2)與試樣表面發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有關,而且與粒子的電化學特性也有關。

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

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

    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,可以適應不同鋼種和工件的要求。由于滲氮技術可以形成優良性能的表面,并且滲氮工藝與模具鋼的淬火工藝有良好的協調,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,模具的表面強化是采用滲氮技術較早,也是應用最廣泛的。

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

    模具材料的預硬化技術

    模具在制造過程中,進行熱處理是絕大多數模具長時間沿用的一種工藝。自20世紀70年代開始,國際上就提出預硬化的想法,但由于加工機床剛度和切削刀具的制約,預硬化的硬度無法達到模具的使用硬度,所以對預硬化技術的研發投入并不大。

    隨著加工機床和切削刀具性能的提高,模具材料的預硬化技術開發速度也隨之加快。到20世紀80年代,工業發達國家在塑料模用材上使用預硬化模塊的比例已達到30%(目前在60%以上)。我國在20世紀90年代中后期,開始采用預硬化模塊(主要用國外進口產品)。

    模具材料的預硬化技術主要在模具材料生產廠家開發和實施。

    通過調整鋼的化學成分和配備相應的熱處理設備,可以大批量生產質量穩定的預硬化模塊。我國在模具材料的預硬化技術方面起步較晚且規模小,目前還不能滿足國內模具制造的要求。

    TD覆層處理

    TD覆層處理是熱擴散法碳化物覆層處理的簡稱,英文簡稱TDcoating。因該技術由日本豐田中央研究所首先研制成功并申請專利,又被稱為Toyota Diffusion Proeess,簡稱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,通過高溫擴散作用于工件表面,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,也可以是復合碳化物,其中應用最廣泛的是碳化釩覆層。大量的實踐證明,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3 200 HV左右,較傳統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濟最有效的方法之一,并可以提高模具使用壽命數倍甚至數十倍,極具使用價值。

    結束語

    高速發展的汽車產業需要高性能模具的支撐,高端模具需要高水平的模具強化技術。不同的表面處理技術具有不同的工藝特點,針對模具材質、前處理、噴涂及后處理過程選擇有效的方法即可。其中化學鍍層具有涂層致密、韌性好和高硬耐磨等優點,能夠滿足冷沖模具的使用要求。隨著環境對制造業低污染、低能耗及高性能的要求,綠色制造技術會擁有更加廣闊的市場前景。

    作者:張翠杰、王文龍

    來源:網絡 侵刪

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