重载弯曲模具寿命提升的研究

刘子豪，毕 彦，陈熠卓，牛 帅，苏海东，周小玉

（1.天津理工大学材料科学与工程学院，天津市金属材料高效近净成形技术工程中心，天津 300384；2.天津中德应用技术大学机械工程学院，天津 300350；3.天津汽车模具股份有限公司，天津 300308）

0 前言

目前，在汽车、重工业等领域，随着制件表面质量和强度的要求不断提高，高强度板料的出现，板料弯曲成形过程中模具受到的载荷越来越大，模具与料的摩擦力加强，寿命变得越来越短，其中最主要模具失效的形式是磨损［1－2］。

某公司在生产如图1所示某品牌小汽车座椅轨道时，轨道材料为QSTE420TM，强度500 MPa，板料厚度为2.5 mm。轨道侧立边的是两个对称制件一起弯曲成形，模具如图1b所示，材料选用Cr12MoV，采用常规热处理，结果模具快速失效，现场调查后，模具失效部分为制件尾端转角处，如图1b圈示位置，该区域三向受压，模具受到的磨损十分强烈，在发生磨损失效。根据其模具材料、工作环境、受损类型等条件，决定采用TD处理［3－8］。

TD（Thermal Diffusion）处理是熔盐热扩散技术，由日本丰田发明，是在基体表面形成超硬化涂层，减小摩擦系数，显著提高耐磨性，TD技术被广泛应用在重载模具中，可以显著提高模具的寿命［9－10］。根据 TD处理工艺和 Cr12MoV热处理工艺，制定了生产方案，并进行了XRD衍射，硬度试验，划痕实验等［11－19］。

图1 汽车座椅导轨和弯曲模具

1 TD法基本原理与工艺

1.1 TD法基本原理

TD法在盐浴炉中，经高温，盐浴成分被分解生成活性金属原子（如钒原子），与钢分解的碳原子形成超硬的化合物，覆在基体表面。

形成碳化钒涂层的盐浴配方：基盐（硼砂＋BaCl2）77%，供钒剂（V2O5）10%，还原剂（硅粉＋B4C）4%，活化剂（NaF）9%，加热至1050℃。

TD法原理属于化学热扩散，供钒剂被还原剂还原，分解出活性的钒原子。方程式如下：

5Si＋2V2O5＝4［V］＋5SiO2（1）

5B4C＋8V2O5＝16［V］＋10B2O3＋5CO2↑ （2）

模具钢在高温下，分解成一定量的碳原子，向外表面扩散，与活性原子钒生成的超硬的碳化钒陶瓷层，在高温和时间作用下，分解和吸收持续进行，模具钢中的碳不断向外扩散，形成了冶金结合的致密的碳化钒超硬涂层。

1.2 TD法的工艺

用Cr12MoV做试件，进行TD处理后，测试涂层各项性能，TD处理工艺如下：

（1）脱脂。由于TD法是和基体材料发生化学反应，基体表面需要处理，用酒精清洗去油。

（2）预热和装吊。将已经进行了预热的模具（预热温度500～600℃）吊装在1 050℃盐浴炉中。

（3）TD涂层制作。当盐浴温度达到1 050℃时，开始计算并保温一定的时间，要求涂层厚度为8～10μm，保温时间应在9～10 h。

（4）淬火。由于Cr12MoV的TD处理温度和基体的温度一样是1 050℃，模具从盐浴炉中取出，可直接进行油中冷却淬火。

（5）清洗。TD处理后必须对工件表面的残盐进行清理，由于硼砂容易在沸水中溶解，将工件放进沸水中多次煮洗。

（6）回火。回火温度控制在520～550℃，回火时间2 h，次数以2次，经过这样的处理，Cr12MoV的强韧性得到最佳状态，硬度在58～60 HRC，模具尺寸稳定，对TD的超硬层有强支撑。

（7）抛光。模具表面需要抛光处理，达到Rz0.05μm。

2 试验

2.1 XRD衍射

所用设备为日本理学公司的DMAX－2500 18KVA X射线衍射仪，TD涂层处理后如图2所示。

图2 TD涂层的XRD衍射分析

图2 的TD涂层的XRD衍射分析，几个主峰与V8C7相符合，可以判定TD涂层的化合物为碳化钒。

2.2 电镜形貌观察和能谱分析

试件镀金后，使用设备为日本电子公司的JSM－6700F扫描式电子显微镜。

2.2.1 形貌分析

扫描电镜下TD法强化涂层如图3所示，由图可见，TD法加工涂层致密，厚度一致，厚度为10.93μm，涂层与基体有分子扩散，结合紧密。

图3 TD强化涂层的SEM

2.2.2 能谱分析

本实验做单点的分析，TD涂层的元素百分比见表1。

表1 TD涂层的元素百分比

碳化钒膜中C原子的含量约为50.91%，V原子的含量约为48.64%，接近碳化钒，与XRD衍射结果一致。

2.3 硬度试验

硬度测试采用日本岛津HMV－2T显微硬度计，加载10g。对试件的三个不同的位置进行测试，检测结果为：2 468 HV，2 662 HV，2 879 HV，平均2 670 HV。

2.4 划痕试验

划痕实验采用兰州中科WS－2005涂层附着力自动划痕仪进行测试，其最大加载载荷为100 N。从图4中可看出，当载荷增加至56.6 N时声波信号突然增强，说明覆层开始脱落，这个数值即为碳化钒覆层与基体的结合力。

图4 划痕实验数据

2.5 腐蚀试验

常温条件，将经TD处理和未经TD处理对比工件浸泡在10%HCl溶液中，每1 min搅拌一次，每20 min取出试样，酒精清洗，吹风机吹干，再由分析天平称量，重复以上处理工艺9次。即在常温盐酸中浸泡共计180 min，将经TD处理和未经TD处理的两种条件下的各对比试样失重进行对比分析，得出各试样在相同条件下的相对耐蚀性。实验结果记录见表2，分析如图5所示。

表2 试件腐蚀试验

图5 被腐蚀度件的重量变化

由图5可以看出TD处理后，试件几乎不被腐蚀，而未进行TD处理的试件则快速腐蚀。

式中，v为腐蚀速率，g·m－2·h－1；m0为试样腐蚀前的质量，g；m1为清除腐蚀产物后试件的质量，g；s为试件表面积，m2；t为腐蚀时间，h。

计算出TD处理的试件在10%的盐酸溶液中的腐蚀速率为0.263 g／m2·h，而未经TD处理的试件在相同环境下的腐蚀速率为4.450 g／m2·h，两者相差将近17倍，可见TD处理可显著增加模具的抗腐蚀性。

3 模具的寿命

对如图1b所示的小汽车座椅轨道的弯曲模具，材料采用与Cr12MoV同类的进口模具钢SKD11，模具按TD工艺，得到碳化钒薄膜，经检验，TD涂层为9μm，硬度为2 520 HV，整个模具1 050℃油淬后，进行两次550℃的回火处理，得到基体的硬度为60 HRC，经生产验证，未经TD处理的模具寿命在0.2万件以内，失效形式为磨损失效，采用TD处理，寿命达到1.5万件，失效形式为TD涂层疲劳失效，寿命提高7.5倍。

4 结束语

（1）根据电镜观察和 XRD衍射，可得出Cr12MoV类模具钢通过TD处理后，表面形成一层致密的碳化钒覆层，其反应是热扩散反应，供钒剂分解出钒原子与模具钢中的碳原子生成一层10μm左右的陶瓷物质碳化钒；

（2）根据划痕实验，可看出结合强度为56.6 N，结合力强，从硬度试验中覆层的硬度大于2 500 HV；

（3）TD处理可明显增加模具表面的硬度、耐磨性、耐蚀性，弯曲模具的寿命提高了7.5倍。

［1］ 宋筠毅，张正林，王阳，等.TD覆层处理技术在车身定位销上的应用［J］.上海汽车，2016（04）：42－44.

［2］ 葛志强，韩月琴，陈运海，等.TD处理在专用车冷作模具中的应用［J］.模具热处理，2014（21）：58－59.

［3］ 张俊喜，陈百明，郭小汝，等.Cr12MoV钢凸模失效分析［J］.模具工业，2016（10）：67－51.

［4］ 于鹏超，姚海波，田前程.模具表面处理对冲压件拉伤问题的改善［J］.模具技术，2017（03）：52－55.

［5］ 金燊超，赵先锐，李妮，等.Cr12MoV钢冷冲模失效分析［J］.金属热处理，2015（07）：189－193.

［6］ 赵铭强.TD覆层处理技术在鞍座壳体成型模上的应用［J］.装备维修技术，2016（01）：6－9.

［7］ 王玉峰，时磊，田前程.汽车模具表面TD处理研究［J］.模具制造，2013（02）：92－94.

［8］ 张宗乐.TD覆层处理技术在解决冲压件拉毛中的应用［J］.模具制造，2015，15（04）：80－82.

［9］ 谢志雄，刘静，董仕节，模具表面TD处理被覆碳化钒层的研究［D］.武汉科技大学硕士学位论文.

［10］ 王维，余际星，黄娜，等.模具钢的TD法盐浴渗金属表面强化［J］.热处理，2012（03）：28－33.

［11］ 万伟，黄俊，罗军明.Cr12MoV钢渗钒层组织及耐磨性能［J］.中国表面工程，2015（08）：90－97.

［12］ 孔德军，付贵忠，周朝政，等.不同载荷下TD处理制备 VC改性层的摩擦磨损行为［J］.材料工程，2014（10）：53－58.

［13］ 张玉.Cr12与Cr12MoV模具钢二次硬化及强韧性研究［D］.昆明：昆明理工大学，2016.

［14］ 赵作福，周影，齐锦刚，等.Cr12MoV钢表面化学热处理的研究进展 ［J］.新型工业化，2015（11）：1－7.

［15］ 王耀武，曹明宇，闫振.Cr12MoV钢的锻造和热处理工艺［J］.热处理，2014（04）：37－39.

［16］ Kong Dejun，Wang Jinchun，Guo Haoyuan.XPS and EDS Analysis of VC Coatings Prepared by TD Process［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2016，45（02）：297－302.

［17］ 刘秀娟.模具钢表面TD法制备碳化钒覆层的研究［D］.武汉：武汉理工大学，2007.

［18］ 何华，杨浩鹏，濮胜君，等.SDC99钢TD法盐浴渗钒层结合力及摩擦磨损性能［J］.金属热处理，2015（12）：156－160.

［19］ 万伟.TD盐浴法制备LD钢碳化钒覆层及其摩擦磨损性能研究［D］.南昌：南昌航空大学，2015.