重載彎曲模具壽命提升的研究

劉子豪，畢 彥，陳熠卓，牛 帥，蘇海東，周小玉

（1.天津理工大學材料科學與工程學院，天津市金屬材料高效近凈成形技術(shù)工程中心，天津 300384；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學機械工程學院，天津 300350；3.天津汽車模具股份有限公司，天津 300308）

0 前言

目前，在汽車、重工業(yè)等領(lǐng)域，隨著制件表面質(zhì)量和強度的要求不斷提高，高強度板料的出現(xiàn)，板料彎曲成形過程中模具受到的載荷越來越大，模具與料的摩擦力加強，壽命變得越來越短，其中最主要模具失效的形式是磨損［1－2］。

某公司在生產(chǎn)如圖1所示某品牌小汽車座椅軌道時，軌道材料為QSTE420TM，強度500 MPa，板料厚度為2.5 mm。軌道側(cè)立邊的是兩個對稱制件一起彎曲成形，模具如圖1b所示，材料選用Cr12MoV，采用常規(guī)熱處理，結(jié)果模具快速失效，現(xiàn)場調(diào)查后，模具失效部分為制件尾端轉(zhuǎn)角處，如圖1b圈示位置，該區(qū)域三向受壓，模具受到的磨損十分強烈，在發(fā)生磨損失效。根據(jù)其模具材料、工作環(huán)境、受損類型等條件，決定采用TD處理［3－8］。

TD（Thermal Diffusion）處理是熔鹽熱擴散技術(shù)，由日本豐田發(fā)明，是在基體表面形成超硬化涂層，減小摩擦系數(shù)，顯著提高耐磨性，TD技術(shù)被廣泛應(yīng)用在重載模具中，可以顯著提高模具的壽命［9－10］。根據(jù) TD處理工藝和 Cr12MoV熱處理工藝，制定了生產(chǎn)方案，并進行了XRD衍射，硬度試驗，劃痕實驗等［11－19］。

圖1 汽車座椅導軌和彎曲模具

1 TD法基本原理與工藝

1.1 TD法基本原理

TD法在鹽浴爐中，經(jīng)高溫，鹽浴成分被分解生成活性金屬原子（如釩原子），與鋼分解的碳原子形成超硬的化合物，覆在基體表面。

形成碳化釩涂層的鹽浴配方：基鹽（硼砂＋BaCl2）77%，供釩劑（V2O5）10%，還原劑（硅粉＋B4C）4%，活化劑（NaF）9%，加熱至1050℃。

TD法原理屬于化學熱擴散，供釩劑被還原劑還原，分解出活性的釩原子。方程式如下：

5Si＋2V2O5＝4［V］＋5SiO2（1）

5B4C＋8V2O5＝16［V］＋10B2O3＋5CO2↑ （2）

模具鋼在高溫下，分解成一定量的碳原子，向外表面擴散，與活性原子釩生成的超硬的碳化釩陶瓷層，在高溫和時間作用下，分解和吸收持續(xù)進行，模具鋼中的碳不斷向外擴散，形成了冶金結(jié)合的致密的碳化釩超硬涂層。

1.2 TD法的工藝

用Cr12MoV做試件，進行TD處理后，測試涂層各項性能，TD處理工藝如下：

（1）脫脂。由于TD法是和基體材料發(fā)生化學反應(yīng)，基體表面需要處理，用酒精清洗去油。

（2）預(yù)熱和裝吊。將已經(jīng)進行了預(yù)熱的模具（預(yù)熱溫度500～600℃）吊裝在1 050℃鹽浴爐中。

（3）TD涂層制作。當鹽浴溫度達到1 050℃時，開始計算并保溫一定的時間，要求涂層厚度為8～10μm，保溫時間應(yīng)在9～10 h。

（4）淬火。由于Cr12MoV的TD處理溫度和基體的溫度一樣是1 050℃，模具從鹽浴爐中取出，可直接進行油中冷卻淬火。

（5）清洗。TD處理后必須對工件表面的殘鹽進行清理，由于硼砂容易在沸水中溶解，將工件放進沸水中多次煮洗。

（6）回火?；鼗饻囟瓤刂圃?20～550℃，回火時間2 h，次數(shù)以2次，經(jīng)過這樣的處理，Cr12MoV的強韌性得到最佳狀態(tài)，硬度在58～60 HRC，模具尺寸穩(wěn)定，對TD的超硬層有強支撐。

（7）拋光。模具表面需要拋光處理，達到Rz0.05μm。

2 試驗

2.1 XRD衍射

所用設(shè)備為日本理學公司的DMAX－2500 18KVA X射線衍射儀，TD涂層處理后如圖2所示。

圖2 TD涂層的XRD衍射分析

圖2 的TD涂層的XRD衍射分析，幾個主峰與V8C7相符合，可以判定TD涂層的化合物為碳化釩。

2.2 電鏡形貌觀察和能譜分析

試件鍍金后，使用設(shè)備為日本電子公司的JSM－6700F掃描式電子顯微鏡。

2.2.1 形貌分析

掃描電鏡下TD法強化涂層如圖3所示，由圖可見，TD法加工涂層致密，厚度一致，厚度為10.93μm，涂層與基體有分子擴散，結(jié)合緊密。

圖3 TD強化涂層的SEM

2.2.2 能譜分析

本實驗做單點的分析，TD涂層的元素百分比見表1。

表1 TD涂層的元素百分比

碳化釩膜中C原子的含量約為50.91%，V原子的含量約為48.64%，接近碳化釩，與XRD衍射結(jié)果一致。

2.3 硬度試驗

硬度測試采用日本島津HMV－2T顯微硬度計，加載10g。對試件的三個不同的位置進行測試，檢測結(jié)果為：2 468 HV，2 662 HV，2 879 HV，平均2 670 HV。

2.4 劃痕試驗

劃痕實驗采用蘭州中科WS－2005涂層附著力自動劃痕儀進行測試，其最大加載載荷為100 N。從圖4中可看出，當載荷增加至56.6 N時聲波信號突然增強，說明覆層開始脫落，這個數(shù)值即為碳化釩覆層與基體的結(jié)合力。

圖4 劃痕實驗數(shù)據(jù)

2.5 腐蝕試驗

常溫條件，將經(jīng)TD處理和未經(jīng)TD處理對比工件浸泡在10%HCl溶液中，每1 min攪拌一次，每20 min取出試樣，酒精清洗，吹風機吹干，再由分析天平稱量，重復以上處理工藝9次。即在常溫鹽酸中浸泡共計180 min，將經(jīng)TD處理和未經(jīng)TD處理的兩種條件下的各對比試樣失重進行對比分析，得出各試樣在相同條件下的相對耐蝕性。實驗結(jié)果記錄見表2，分析如圖5所示。

表2 試件腐蝕試驗

圖5 被腐蝕度件的重量變化

由圖5可以看出TD處理后，試件幾乎不被腐蝕，而未進行TD處理的試件則快速腐蝕。

式中，v為腐蝕速率，g·m－2·h－1；m0為試樣腐蝕前的質(zhì)量，g；m1為清除腐蝕產(chǎn)物后試件的質(zhì)量，g；s為試件表面積，m2；t為腐蝕時間，h。

計算出TD處理的試件在10%的鹽酸溶液中的腐蝕速率為0.263 g／m2·h，而未經(jīng)TD處理的試件在相同環(huán)境下的腐蝕速率為4.450 g／m2·h，兩者相差將近17倍，可見TD處理可顯著增加模具的抗腐蝕性。

3 模具的壽命

對如圖1b所示的小汽車座椅軌道的彎曲模具，材料采用與Cr12MoV同類的進口模具鋼SKD11，模具按TD工藝，得到碳化釩薄膜，經(jīng)檢驗，TD涂層為9μm，硬度為2 520 HV，整個模具1 050℃油淬后，進行兩次550℃的回火處理，得到基體的硬度為60 HRC，經(jīng)生產(chǎn)驗證，未經(jīng)TD處理的模具壽命在0.2萬件以內(nèi)，失效形式為磨損失效，采用TD處理，壽命達到1.5萬件，失效形式為TD涂層疲勞失效，壽命提高7.5倍。

4 結(jié)束語

（1）根據(jù)電鏡觀察和 XRD衍射，可得出Cr12MoV類模具鋼通過TD處理后，表面形成一層致密的碳化釩覆層，其反應(yīng)是熱擴散反應(yīng)，供釩劑分解出釩原子與模具鋼中的碳原子生成一層10μm左右的陶瓷物質(zhì)碳化釩；

（2）根據(jù)劃痕實驗，可看出結(jié)合強度為56.6 N，結(jié)合力強，從硬度試驗中覆層的硬度大于2 500 HV；

（3）TD處理可明顯增加模具表面的硬度、耐磨性、耐蝕性，彎曲模具的壽命提高了7.5倍。

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