冲模表面强化处理技术质量控制方法包括「冲模表面强化处理技术质量控制方法」

通过对TD处理工艺各阶段的控制，提高了冲压件的品质，降低了企业经营成本。目前开发的新车型高强度钢板模具的压边圈、凹模镶件（左/右纵梁后部、左/右A柱下加强板、左/右B柱上部横梁）已全面普及TD处理工艺，以后计划在高端车型的高强度钢板模具开发方面，尝试使用更高级别的ASS⁃AB88材料，并同步开展TD处理工艺与ASSAB88母材适应性的研究。

随着我国汽车工业的高速发展，各大主机厂对汽车安全性的关注度也越来越高。通过在车身安全结构件中使用高强度钢板替代普通钢板，以提高车身的安全性，势必对模具零件强度、耐磨性提出更高的要求。高强度钢板在R角及复杂成形面处极易出现毛刺缺陷，该缺陷已成为阻碍冲压件成形质量提升的难题，通过引入模具TD表面强化技术，可以提升冲压件成形质量和延长模具镶件的使用寿命，具有制造成本低、整改周期短的特点。

TD工艺简介和工艺流程

TD工艺简介

TD模具表面强化处理技术是热扩散法碳化物覆层处理（thermal diffusion carbide coating process），在一定的处理温度下将零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零件中的碳、氮原子发生化学反应，扩散到模具零件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，这种覆层厚度为10~15μm，硬度达到2800~3200HV，具有很高的耐磨性、抗崩刃性、耐蚀性，可以重复TD处理3~5次。

高强度钢板模具材料的选用逐步使用高耐磨、抗崩刃的SKD11替代Cr12MoV，合资品牌在尝试使用更高级别的模具材料ASSAB88（材料成本是SKD11的2倍以上），高强度钢板材料对比数据如表1所示。

TD工艺流程

① 来料检查：镶件数量、质量、外观（碰伤、裂纹等）、母材牌号、母材硬度检测和确认；

② TD处理前尺寸和硬度确认（零件长宽尺寸不能大于620mm×850mm）；

③ TD处理前打磨和抛光（粗糙度小于Ra0.8mm）；

④ TD处理：预热（520℃左右）、TD处理（900~1030℃硼砂熔盐8~12h）、盐浴淬火（500℃左右盐浴10~20min）、回火2次（低温回火180~200℃，高温回火500℃，回火时间在3~5h）；

⑤ 清洗及孔中盐类物质去除；

⑥ TD处理后尺寸和硬度确认；

⑦ 尺寸调整确认；

⑧ TD处理后的抛光；

⑨ 出货检测（碰伤、裂纹、杂质、硬度、皮膜厚度）；

⑩ 包装出货。

TD处理前要进行预热的目的是防止镶件产生剧烈变形和开裂，预热温度设定为520℃左右，以保证镶件表面不产生氧化物为前提。需要注意的是镶件从硼砂熔盐到盐浴中的速度要快，以防止TD层氧化。

TD处理使用范围和优点

TD处理的使用范围

TD处理适用于汽车冲压成形类模具的镶件、各种挤压模、滚压模、弯管模、成形模、弯曲模、扩口及缩口模、变薄拉深模等。

TD处理的优点

模具镶件通过TD处理后，可以提高其表面的耐磨性和母材的韧性，通常情况下进行TD表面处理后，其使用寿命至少提高8倍以上、冲压单件合格率能提升到98%以上、停线时间缩短、维护成本降低。

TD处理模具零件选择

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Cr12钢材不适合做TD处理，因为TD处理后，相关技术参数不达标：①模具零件硬度不达标，一般只能达到45HRC左右，耐磨性较差；②零件尺寸变形大，Cr12在TD处理过程中没有二次硬化，由材料自身的特性决定的。

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油钢（DF2）、碳钢类不适合做TD处理，因为其热处理工艺不适合TD处理工艺要求，油钢、碳钢的淬火温度在780~850℃，而TD的淬火温度在900~1030℃。

3

高速钢不适合做TD处理，高速钢TD处理属于二次淬火过程，开裂风险大，而且热处理工艺与TD工艺不适应，高速钢淬火温度为1200℃左右，而TD的淬火温度在900~1030℃。

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不锈钢系列钢材不适合做TD处理，因为含碳量低，在0.1%~0.3%，TD处理后无法成膜（要求母材含碳量在0.3%以上）。

TD处理常见问题及应对措施

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模具零件在TD处理过程中，会出现母材硬度不足，尺寸无法调整的问题，主要原因是模具母材牌号错误或质量达不到相关标准和要求；应对措施是选择适合TD处理的优质模具钢，例如：SKD11、Cr12MoV。

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模具零件TD处理后会出现焊接部位不成膜或存在裂纹的问题，主要原因是：TD处理前模具镶件R角和成形面存在较明显的裂纹和砂眼缺陷、焊条材质与母材不相融（热膨胀系数和收缩率相差较大）、焊接工艺不合理等。针对镶件R角和成形面缺陷（裂纹和砂眼）的应对措施是首先使用砂轮机和磨头将缺陷部位表面深度0.5mm以下去除，然后选择与母材相融的焊条实施焊接、修磨、抛光。对于已实施过TD处理的模具镶件，需在200℃左右的加热炉中保温1~2h后再实施焊接，这样可以减少开裂风险，提高焊接质量。

为了筛选出最适合母材的优质焊条，通过试验数据验证不同型号的焊条在SKD11上焊接后，实施TD处理的效果（膜厚和硬度指标）。

试验材料

①母材：材质为SKD11；②焊条：包括CMC-EMagic6、TM2000在内的6种不同型号焊条。

试验步骤

①由具有丰富经验的模具高级技师，依次使用6种不同型号的焊材在母材上试焊3cm长的焊接面，并做好1~6的编号（见图1）；②将焊接面表面打磨光滑，实施TD处理；③TD处理完毕检测膜厚、硬度参数，观察其外观，并做好记录，检测数据如表2所示；④依据评价标准，对6种不同型号的焊条焊接后的TD效果实施综合评价。

图1 TD处理图示

试验结果

使用型号3（SUPER7）和型号4（WeD-6a）焊条在SKD11母材上焊接，TD处理后效果（皮膜厚度、硬度、外观质量缺陷参数等）最优；上述试验数据是通过试验得来，不同的施焊人员、焊接设备、焊接方法、不同批次的焊接母材和焊条、焊接环境、检测设备等，得到的检测数据可能有偏差。

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模具镶件经过多次TD处理后，会引起模具零件表面成膜不好、耐磨性差或开裂的问题，主要原因是模具零件经过多次TD处理后母材表面的碳原子含量会逐渐减少，皮膜厚度不断下降，同时母材表面脱碳层越来越深；如果母材表面脱碳层深度达到0.50mm以上，TD处理后模具镶件表面成膜效果较差，严重时会引起镶件开裂，当出现以上缺陷时，则不再适合做TD处理。

TD处理变形量控制

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冲模镶件实施TD处理过程，实际是二次淬火的过程，其组织变化与真空淬火后的组织变化基本相同；不同的是TD淬火的介质和真空淬火的介质。

真空淬火的介质是油和氮气，在常温下这2种介质在零件淬火时冷却速度较快、热应力释放也较大。在这种情况下如果保护不当，会引起零件的变形和开裂；通常情况下，真空热处理的变形量比TD处理的大，且开裂风险增大。

TD淬火的介质是等温盐浴，盐浴淬火温度控制在500℃左右，淬火时间10~20min，零件在此过程中冷却速度较慢，释放出的热应力较小，一般TD处理后的模具镶件整体变形量和开裂风险都较小。

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变形量的控制要求：平面和侧面的变形量可以控制在±0.05mm左右。当前行业内对于零件变形量的控制参数，参照日本行业相关标准，冲模镶件尺寸长、宽、高均在300mm以内的控制在±0.10mm左右，在100mm以内的控制在±0.05mm，在50mm以内的控制在±0.03mm，特殊要求除外。

TD处理后使用维护相关注意事项

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新的模具镶件调试稳定后才能实施TD处理，TD处理后的模具镶件在运输前，必须使用独立防磕碰的包装，运输时使用专用器具装车，运输过程中避免急刹车等情况出现。

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TD处理后的模具镶件会有微量的变形，在进行装配前，需对镶件安装型面进行细致研磨，装配面的研合率达到80%以上，使镶件之间、镶件与安装面之间达到较好的匹配效果。

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TD处理后的模具在生产前，必须对模具零件表面进行清擦，在板料上涂适量拉深油，有助于延长TD层使用寿命。

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每生产5000冲次，需将模具吊入全封闭模具清洗间实施整体清洗、吹干，保证模具整体的清洁。

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在进行必要的焊接作业时，必须对TD处理面实施必要的防护措施，否则会造成TD处理层的氧化脱落，缩短模具使用寿命，模具镶件的TD处理层抗氧化温度为500℃左右，而焊接电弧温度达到6000℃以上。

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模具镶件在TD处理后其表面硬度能达到2800~3200HV，具有较高的硬度和耐磨性，但是尖锥物的敲击和砂轮机的打磨会导致TD处理层的损伤，应避免以上不当行为。

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异物挤压会导致TD处理层的变形凹陷，需要及时实施钝化和研磨处理，处理不及时会导致TD层损坏面积不断增大，造成冲压件局部产生严重毛刺，缩短模具使用寿命。

▍原文作者：叶立渊，赵树林

▍作者单位：御捷汽车质量和制造工程中心

冲压模具的制造工艺都有哪些技术？

冲压模具是将冲压材料制造成零件的一种特殊工艺装备，冲压模具是实现少、无切削的重要工具，模具寿命的高低直接影响质量和效率。影响模具的寿命的因素有模具材料、材料热处理和表面处理以及模具制造工艺。下面简单介绍下冲压模具的制造工艺：一、冲压模具的热处理技术模具材料的热处理是模具制造过程中非常重要的工序，通过热处理可以改变材料的组织和性能，保障模具的最终使用寿命。模具热处理方法和工艺的选择同样要根据模具的条件、失效方式和对性能的不同要求来确定。改善热处理设备、改进热处理工艺、使材料的强度、韧性得到最佳配合；严格遵循热处理工艺，控制加热温度、时间、冷却速度，从而保证模具的使用性能。二、冲压模具的表面处理技术冷冲模具的部位是刃口，凸模在冲裁和从板材中拔出时受到强烈的摩擦，因此对冲载模的要求是刃口表面要有很好耐磨性。表面处理既可以使基体保持足够的强韧性，又可提高材料表面的耐磨性。常用的模具表面强化处理技术可分为三类：（1）改变基体表面化学成分的方法，如渗金属、渗碳、氮化等；（2）不改变基体表面化学成分的方法，如激光表面改性技术、电子束表面处理等；（3）在基体表面形成硬化层的方法，如镀铬、热喷涂等。每一种强化方法都有一定的适用范围，因此要充分了解各种表面强化处理方法的特性，必须根据不同条件和对性能的不同要求，如对耐磨性、抗粘着性、韧性等不同性能的要求来选择合理的表面强化处理方法。三、冲压模具的机械制造技术冷冲模具的机械制造工艺通常是指冲模主要零件如凸模和凹模的制造方法，冲模主要部件的精度和表面质量直接影响到模具的使用寿命。（1）电火花线切割工艺由于其具有高精度和高自动化等优点获得了迅速的发展，在模具制造、成形刀具和精密复杂零件等方面得到了广泛的使用。（2）磨削工艺亦是影响模具寿命的重要因素之一，一方面合理磨削工艺将提高尺寸精度各表面粗糙度，同时合理的磨削工艺如磨削进刀量，砂轮选择等均可影响磨削裂纹的产生，最终影响模具寿命。四、冲压模具相关技术数控和计算机辅助设计的模具制造中发展的一个重要里程碑，无论从模具制造精度、表面粗糙度，制造周期等方面来考核，数控技术是模具发展的方向。超精工技术和集电化学、超声波、激光等技术综合在一起的复合工艺将会有广阔的前景。同时先进的数字化测量和自动化系统的研制和发展也将是我国模具制造技术长远发展的目标。

模具表面处理技术

模具表面处理技术

　　模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。它对模具的如下性能有着直接的影响。

　　模具的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形，从而降低模具的精度，甚至报废。

　　模具的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度(硬度)达不到设计要求。

　　模具的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。

　　模具的制造成本：作为模具制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具报废，即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造成本。

　　正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中，相互促进，共同提高。20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。

　　模具的真空热处理技术

　　真空热处理技术是近些年发展起来的一种新型的热处理技术，它所具备的特点，正是模具制造中所迫切需要的，比如防止加热氧化和不脱碳、真空脱气或除气，消除氢脆，从而提高材料(零件)的塑性、韧性和疲劳强度。真空加热缓慢、零件内外温差较小等因素，决定了真空热处理工艺造成的零件变形小等。

　　按采用的冷却介质不同，真空淬火可分为真空油冷淬火、真空气冷淬火、真空水冷淬火和真空硝盐等温淬火。模具真空热处理中主要应用的是真空油冷淬火、真空气冷淬火和真空回火。为保持工件(如模具)真空加热的优良特性，冷却剂和冷却工艺的选择及制定非常重要，模具淬火过程主要采用油冷和气冷。

　　对于热处理后不再进行机械加工的模具工作面，淬火后尽可能采用真空回火，特别是真空淬火的工件(模具)，它可以提高与表面质量相关的机械性能，如疲劳性能、表面光亮度、而腐蚀性等。

　　热处理过程的计算机模拟技术(包括组织模拟和性能预测技术)的成功开发和应用，使得模具的智能化热处理成为可能。由于模具生产的小批量(甚至是单件)、多品种的特性，以及对热处理性能要求高和不允许出现废品的特点，又使得模具的智能化热处理成为必须。模具的智能化热处理包括：明确模具的结构、用材、热处理性能要求模具加热过程温度场、应力场分布的计算机模拟模具冷却过程温度场、相变过程和应力场分布的计算机模拟加热和冷却工艺过程的仿真淬火工艺的制定热处理设备的自动化控制技术。国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面，已经开展了这方面的技术研发，主要针对目标也是模具。

　　模具在工作中除了要求基体具有足够高的强度和韧性的合理配合外，其表面性能对模具的工作性能和使用寿命至关重要。这些表面性能指：耐磨损性能、耐腐蚀性能、摩擦系数、疲劳性能等。这些性能的改善，单纯依赖基体材料的改进和提高是非常有限的，也是不经济的，而通过表面处理技术，往往可以收到事半功倍的效果，这也正是表面处理技术得到迅速发展的原因。

　　模具的表面处理技术，是通过表面涂覆、表面改性或复合处理技术，改变模具表面的形态、化学成分、组织结构和应力状态，以获得所需表面性能的.系统工程。从表面处理的方式上，又可分为：化学方法、物理方法、物理化学方法和机械方法。虽然旨在提高模具表面性能新的处理技术不断涌现，但在模具制造中应用较多的主要是渗氮、渗碳和硬化膜沉积。

　　渗氮工艺有气体渗氮、离子渗氮、液体渗氮等方式，每一种渗氮方式中，都有若干种渗氮技术，可以适应不同钢种不同工件的要求。由于渗氮技术可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性，同时渗氮温度低，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的整体强韧性，即模具的工作表面具有高的强度和耐磨性，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。

　　硬化膜沉积技术目前较成熟的是CVD、PVD。为了增加膜层工件表面的结合强度，现在发展了多种增强型CVD、PVD技术。硬化膜沉积技术最早在工具(刀具、刃具、量具等)上应用，效果极佳，多种刀具已将涂覆硬化膜作为标准工艺。模具自上个世纪80年代开始采用涂覆硬化膜技术。目前的技术条件下，硬化膜沉积技术(主要是设备)的成本较高，仍然只在一些精密、长寿命模具上应用，如果采用建立热处理中心的方式，则涂覆硬化膜的成本会大大降低，更多的模具如果采用这一技术，可以整体提高我国的模具制造水平。

　　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，自上个世纪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，所以预硬化技术的研发投入不大。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加快，到上个世纪80年代，国际上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)。我国在上世纪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，起步晚，规模小，目前还不能满足国内模具制造的要求。

　　采用预硬化模具材料，可以简化模具制造工艺，缩短模具的制造周期，提高模具的制造精度。可以预见，随着加工技术的进步，预硬化模具材料会用于更多的模具类型。 模具热处理是保证模具性能的重要工艺过程。它对模具的如下性能有着直接的影响。

　　模具的制造精度：组织转变不均匀、不彻底及热处理形成的残余应力过大造成模具在热处理后的加工、装配和模具使用过程中的变形，从而降低模具的精度，甚至报废。

　　模具的强度：热处理工艺制定不当、热处理操作不规范或热处理设备状态不完好，造成被处理模具强度(硬度)达不到设计要求。

　　模具的工作寿命：热处理造成的组织结构不合理、晶粒度超标等，导致主要性能如模具的韧性、冷热疲劳性能、抗磨损性能等下降，影响模具的工作寿命。

　　模具的制造成本：作为模具制造过程的中间环节或最终工序，热处理造成的开裂、变形超差及性能超差，大多数情况下会使模具报废，即使通过修补仍可继续使用，也会增加工时，延长交货期，提高模具的制造成本。

　　正是热处理技术与模具质量有十分密切的关联性，使得这二种技术在现代化的进程中，相互促进，共同提高。20世纪80年代以来，国际模具热处理技术发展较快的领域是真空热处理技术、模具的表面强化技术和模具材料的预硬化技术。

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