覆盖件冲压模具热处理技术浅析

任 扬

（天津力神电池股份有限公司，天津 300384）

汽车工业的高速发展对汽车外观设计提出了更高要求，从而使覆盖件模具的工作条件日益苛刻，对模具的性能、质量和品种等也提出了更高要求。为此，各种新型模具钢和铸铁不断被开发出来，并在品种、质量、生产工艺和生产装备上做了大量工作，取得长足进步。

通用的冷作模具钢可分为三类：低合金冷作模具钢（如9CrWMnV）、中合金冷作模具钢（如Cr5Mo1V）及高合金冷作模具钢（如Cr12Mo1V1）。此外，还有几种新型冷作模具钢：①高韧性、高耐磨性冷作模具钢，如美国的 8Cr8Mo2V2Si、Cr8Mo2VWSi，日本的 QCM8 （8Cr8Mo2VSi）、DC53（Cr8Mo2VSi）、TCD（Cr8V2MoTi）等。这类钢优点很多，如组织中的碳化物细小、弥散，抗弯强度高，断裂韧性、耐磨性、可切削性、可磨削性及抗回火性好且热处理变形小，未来可发展成为一种通用型模具钢；②火焰淬火冷作模具钢，以7CrMnSiMoV应用最为普遍，另外有日本的SX5（Cr8MoV）、美国的CC#1等。其特点是淬火温度范围宽、淬透性较高及火焰淬火方便易行；③粉末冶金冷作模具钢：粉末冶金方法可以生产常规工艺难以生产的超高碳、高合金（尤其是高钒含量）、高耐磨性的模具钢，以及碳基碳化钛。此外，覆盖件拉深模具中常用到铸铁材料，如HT300、QT600-2、Mo、MoCr、MoV，日本的 TGC600、FCD250、FCD540，以及德系车常用的GGG70L等。

1 模具热处理技术

热处理工序是模具制造中的关键工序，其工艺技术随着我国汽车工业的迅猛发展也快速推进到国际水平。如真空淬火技术、感应淬火技术和激光淬火技术等，都得到广泛应用和发展。热处理后的表面处理工艺也有很大提高，如PVD、TD、渗氮、液体碳氮共渗和喷涂都有很大改进和提高。

1.1 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，其所具备的特点正是模具制造中所迫切需要的，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。由于真空加热缓慢、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。真空热处理技术与模具表面强化技术、模具材料预硬化技术成为近20年来国际模具热处理技术发展较快的领域。

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、耐腐蚀性等。

热处理过程的计算机模拟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。国外工业发达国家，如美国、日本等，在真空高压气淬方面发展也很快，主要也是针对模具开发研究。

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。

1.2 表面处理技术

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。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。目前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。

模具渗碳技术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。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。

1.3 材料预硬化技术

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，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，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60%以上。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。采用预硬化模具材料，可以简化模具制造工艺，缩短模具制造周期，提高模具制造精度。

我国在上世纪90年代中后期开始采用预硬化模块。在模具材料的预硬化技术方面，我国起步晚，规模小，目前还不能满足国内模具制造要求。

2 覆盖件冲压模具热处理技术

2.1 整体热处理技术

整体热处理设备有盐浴炉、箱式炉和真空炉。根据模具使用场合和尺寸大小选择相应的热处理设备。一般尺寸较小，表面不允许有氧化脱碳的模具多使用盐浴炉加热淬火；尺寸较大，不太重要，且型面可以热后加工的模具多采用箱式炉加热淬火；高合金钢多数采用真空淬火处理。箱式炉要有很好的密封性，为了防止氧化脱碳，可以向炉内通入保护气体，另外还可以将工件涂上防氧化脱碳涂料和在热处理加热时向炉内放一些木炭。为了防止工件变形和氧化脱碳，世界各国均采用真空热处理炉来处理模具，采用真空热处理还可以提高模具的使用寿命。真空热处理分气淬和油淬两种。油淬要比气淬变形大得多，热处理后加工余量大的模具适宜油淬。使用真空热处理气淬炉时，不同的淬火充气压力可以获得不同的热处理变形，压力越大变形越大，压力越小变形越小，使用时要根据不同工件选择不同的参数。

2.2 表面淬火

表面淬火适用于变形小、工件尺寸较大、其余部分起辅助作用的场合。汽车覆盖件模具多数比较大，采用表面淬火的比较多，其中空冷钢、铸铁和合金铸铁等材质的模具多用表面淬火。表面淬火的方法也不尽相同，有火焰淬火、感应淬火和激光淬火。火焰淬火按其使用气体不同可分为乙炔火焰淬火和丙烷火焰淬火。采用丙烷火焰淬火可以跟水，用以减少模具变形和提高模具的硬度。感应淬火，采用10～50kHz的超音频加热电源。它具有加热层深的优点，一般与表面硬度相同的淬硬层深度在2mm左右，缺点是变形大、易开裂。激光淬火是近几年发展起来的表面淬火技术。它具有淬硬层薄、硬度高、韧性好和位置确定等特点。其最大优点是淬火后模具变形小，可以重复几次淬火。

2.3 深冷处理

模具钢经深冷处理（-110～-196℃）后，可以提高其力学性能，一些模具经深冷处理后显著提高了使用寿命。模具钢的深冷处理可以在淬火和回火工序之间进行，也可在淬火、回火之后进行。如果在淬火、回火后钢中仍保留有残留奥氏体，则在深冷处理后仍需要再进行一次回火。此外，深冷处理也能提高钢的耐磨性。深冷处理不仅用于冷作模具，也可用于热作模具和硬质合金。深冷处理技术已越来越受到模具热处理工作者的关注，现在已开发出专用深冷处理设备。不同钢种在深冷过程中的组织变化和微观机制，以及对力学性能的影响结果是不同的。同一种材料不同的几何形状和不同的使用状态，经深冷处理后的寿命是不同的。

2.4 表面涂覆技术

气相沉积按形成的基本原理，分为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。CVD处理是用化学方法使反应气体在基础材料表面发生化学反应形成覆盖层（TiC、TiN）的方法。CVD有多种方法，通常，CVD的反应温度＞900℃，涂层硬度＞2000HV，但高温容易使工件变形，且沉积层界面易发生反应。CVD的发展趋势是降低温度，开发新的涂层成分。例如，金属有机化合物CVD(MOCVD)、激光CVD(LCVD)和等离子CVD(PCVD)等。表面喷涂技术是用氧气乙炔将物质等喷在模具表面。涂料与基体结合坚固，可以实现提高表面厚度和增加耐磨性的目的。

2.5 局部堆焊技术

许多车身落料模具都要求刃口有很好的强韧性，使用整体模具钢比较浪费，而采用在较低廉材料上堆焊刃口的方法可以节约大量的钢材和降低生产成本。美国、日本和德国在这方面的发展比较成熟，我国模具堆焊也取得了长足的进步。

2.6 渗碳、渗氮、渗硼和渗金属处理

化学热处理能有效提高模具表面的耐磨性、耐蚀性、抗咬合性和抗氧化性等性能。几乎所有的化学热处理工艺均可用于模具钢的表面处理。高碳低合金钢渗碳或碳氮共渗时，应尽可能选取较低的加热温度和较短的保温时间，此时可保证表层有较多的未溶碳化物核心，渗碳和碳氮共渗后，表层碳化物呈颗粒状，碳化物总体积也有明显增加，可以增加钢的耐磨性。渗氮工艺目前多采用离子渗氮、高频渗氮等工艺。离子渗氮可以缩短渗氮时间，并可获得高质量的渗层。氮碳共渗对冷镦模、冷挤压模、冷冲模和拉伸模等均有很好的应用效果。

冷作模具和热作模具还可以进行硫氮或硫氮碳共渗。近年来许多的研究工作都表明，稀土有明显的催渗效果，从而开发了稀土氮共渗、稀土氮碳共渗等新工艺。模具的渗氮处理有离子渗氮和气体渗氮两种。渗硼可以是固体渗硼、液体渗硼和膏剂渗硼等，应用最多的是固体渗硼，市场上已有固体渗硼剂供应。固体渗硼后，表层的硬度高达1400～2800HV，耐磨性高，耐腐蚀性和抗氧化性能都较好。渗硼工艺常用于各种冷作模具上，由于耐磨性的提高，模具寿命可提高数倍或十余倍。采用中碳钢渗硼有时可取代高合金钢制作模具。渗硼层较脆，扩散层比较薄，对渗层的支撑力弱，为此，可采用硼氮共渗或硼碳氮共渗，以加强过渡区，使其硬度变化平缓。为改善渗硼层脆性，可采用硼钒、硼铝共渗。渗金属包括渗铬、渗钒和渗钛等工艺，均可用于处理冷作和热作模具，其中TD法（熔盐渗金属）已得到一些应用，可使模具寿命提高几倍乃至十几倍。

3 结语

在一些工业发达国家，冶金企业供应经机加工的模具钢制品已达50%～60%。国内钢厂等生产企业为适应这一市场机制，也已逐步向模具生产厂家提供板料模具钢和块料模具钢。同时，已开发出不少有一定特色的新型模具钢，其中一些钢性能优异，以较低的成本即可达到或超过同类钢的水平。这些新型模具钢有广阔的推广前景。

未来，还需要进一步提高模具材料质量。我国某些特殊钢厂已采用新的冶金设备和工艺生产模具钢，如炉外精炼、真空冶炼、快锻机和精锻机等，一些模具钢的质量有大幅度提高，如D2、P20等钢已批量出口，出口产品的质量可以达到国际先进水平。工业发达国家一直在努力提高模具钢的纯净度、致密度、均匀性和质量稳定性。

同时，还需加强先进模具热处理技术的推广应用。如模具的可控气氛热处理与真空热处理技术等。对一些行之有效的模具表面热处理技术，应完善其工艺，加强其推广应用，如感应淬火和激光淬火技术等。