有关TD覆层处理技术和复合PVD处理技术在汽车模具上应用的优劣势
分类：行业新闻 发布时间：2018-05-16
【概要描述】一、汽车冲压成型模具表面处理问题的提出 汽车冲压成形模具之所以需要进行特种表面处理，其首要目的是解决模具表面拉伤问题，其次是提高模具寿命并保持产品零件尺寸的一致性。 当前必须解决汽车冲压模具表面拉伤问题的原因是：为了使汽车轻量化，汽车大量采
一、汽车冲压成型模具表面处理问题的提出
汽车冲压成形模具之所以需要进行特种表面处理，其首要目的是解决模具表面拉伤问题，其次是提高模具寿命并保持产品零件尺寸的一致性。
当前必须解决汽车冲压模具表面拉伤问题的原因是：为了使汽车轻量化，汽车大量采用高强度钢板，高强度钢板在冲压成型过程中，模具工作面成型应力较低强度钢板大，模具工作面和成型钢板间普遍出现严重的粘着磨损，并在模具工作面和工件表面会出现严重拉伤现象，拉伤现象的出现影响产品表面质量，降低生产效率，因需要不断修模还严重影响产品尺寸的一致性以及模具寿命。
要解决模具表面拉伤现象有许多方法，这些方法的核心是阻止模具与成型板料间的粘着磨损，这些方法可以分别是在成型板料、板料与模具间或模具上采取措施。常见的方法可以是对成型板料进行表面处理（如磷化），在模具与板料间加一层有机膜（如添加塑料薄膜或高粘度润滑脂），改变模具材料（铍铜合金、硬质合金），对模具进行特种表面处理（TD，PVD，镀硬铬等）。以上方法实践中根据产量、工况、成型件大小等情况都有使用，对于汽车冲压成形模具考虑到成本等因素，目前应用最多的是对模具进行特种表面处理，目前主要是TD覆层处理，复合PVD，镀硬铬，氮化。其中镀硬铬和氮化处理由于结合力和耐磨性较差，可以用于成型应力较小的场合，并且这两种技术可以对大型模具进行处理，所以这两种技术主要应用于大型汽车覆盖件模具；对于底盘、加强板等类零件普遍采用TD覆层处理和复合PVD处理，以下主要分析这两种技术的优劣势。
二、TD覆层处理技术及复合PVD技术的比较
1、 两种表面处理形成覆层的种类
1） TD覆层处理可以在工件表面形成硬度很高的一种或多种金属碳化物复合的覆层，其中目前应用较多的是碳化钒(VC)覆层；
2） PVD（物理气相沉积）,PCVD（物理化学气相沉积）处理技术处可以在工件表面更多的表面强化相，包括金属碳化物、氮化物、氧化物或其复合的化合物；单就表面硬度，由于PVD、PCVD处理技术可以方便地改变覆层的成分，也可以通过改变工艺方法改变表面覆层的组织结构，所以PVD处理法可以形成比TD法更高的表面硬度；但目前PVD、PCVD法在模具上的应用较多的是氮化钛（TiN）、氮碳化钛（TiCN）、氮铝化钛（TIAlN）、氮化铬（CrN）一类的覆层，其硬度一般低于TD覆层碳化钒的硬度。大量实践表明，无论PVD采用何种覆层种类，单一PVD覆层在拉深冲压成型类模具上覆层很容易剥落很难取得使用效果，为提高覆层与母材的结合力，目前在汽车模具上一般都是采用先氮化再进行PVD处理的复合工艺。
2、两种表面处理与母材的结合力比较
TD覆层处理后覆层与母材属于冶金结合，使用中不容易脱落；复合PVD覆层与母材结合力有如电镀，属于机械结合。大量实践表明， TD覆层可以承受比复合PVD覆层大得多的应力而不会脱落。
3、两种表面处理的处理温度及对基体材料的要求和对模具变形量的影响
1） TD覆层处理是属于高温处理，温度一般是900℃-1050℃，对于工模具为达到比较好的使用效果，一般处理后需要进行淬火回火过程，所以TD覆层处理技术有变形的问题，控制不好有可能会出现开裂问题。为减小工件变形和减少开裂倾向，对工件的材质要求比较高，一般需要采用淬火变形量比较小的高合金钢，如常用的高铬合金工模具钢Cr2MoV，SKD11,Dc53，D2等；对于变形要求不太严格的工件对材质品质也可以要求不高，如采用Cr12或冶炼质量比较差的Cr12MoV。
2） 复合PVD处理技术处理温度比较低，一般400℃-600℃，对于钢制工件其突出优点是处理后工件变形都很小。要取得比较好的使用效果复合PVD处理对母材材质要求很高，一般应用最多的是高速钢或粉末高速钢，或是品质优良的高铬合金工模具钢如Cr12MoV,SKD11,DC53，D2等，要是材质不均匀或成分没有达到标准，复合PVD覆层处理以后效果难以体现。
4、两种表面处理的处理温度及对前期热处理的要求
1） 需要进行TD覆层处理的工件，一般对工件的前期热处理没有要求，只是对于汽车组合模具，考虑各种因素要求高温回火（480℃-520℃）。
2） 需要进行复合PVD处理的工件，一般都是工件材料已作过高温回火的零件。对于高速钢，粉末高速钢，此类材料一般都是高温回火状态使用，所以可以直接进行复合PVD处理；对于高铬合金模具钢如Cr12MoV,SKD11,DC53,D2等材料，对于前期热处理必须采用高温回火（480℃-520℃）才可以进行复合PVD处理。
5、两种表面处理工艺的应用领域及效果比较
两种表面处理都可以用于提高模具寿命和解决模具表面拉伤问题。其中TD覆层用于受力比较大的场合，复合PVD覆层用于受力比较小的场合；对于1mm以上的强度高于400MPa的高强度钢板成型，一般采用TD覆层处理；厚度较薄，强度较低的可以采用复合PVD处理技术，对于形状较复杂的成型模具，考虑到冲压成型模具即使板料比较薄强度较低，总有受力比较大的部位，所以采用TD覆层处理可靠性更高。一般精度要求很高的工件只能采用复合PVD处理。此外模具总体寿命TD覆层处理一般是复合PVD覆层寿命的3-4倍。
三、汽车冲压成型模具表面处理技术选择问题
1、从模具制造角度
由于复合PVD处理技术变形很小，处理后模具基本上不会变形，做完表面处理后模具无需研配就可以直接装配（热处理工艺不合理除外）；相反TD覆层处理后模具有变形问题，一般组合模具镶块需要研配才能正常使用，特别是要是模具结构不合理和TD处理厂家不专业时将会带来模具变形过大甚至引起开裂现象，这样模具调试阶段需要耗费一些工作量。因此从模具制造角度来说，采用复合PVD表面处理技术省事省力，而TD覆层处理技术相对来说就比较麻烦。
2、从模具使用角度
1）适用的工况
TD覆层处理具有更高的承载能力，表面处理时无论深孔，窄缝等都能有均匀的覆层，所以TD覆层处理几乎可以适应乘用汽车的各种板料成型工况，如板料厚度（～5mm）、强度(～800MP)、模具复杂程度的变化。相反，复合PVD技术覆层与母材结合力远低于TD覆层处理技术，承载能力较低，此外，对于尖角容易出现温度过高，深孔窄缝处很难形成均匀的覆层，所以只适用于板料较薄（～1mm），强度较低（400MPa以下），形状比较简单的模具。需要说明的是由于TD覆层处理有变形问题，不适合组合式外板件模具的表面处理，整体式模具除外。
2）经济性
大量实践证明，TD覆层处理技术处理过的模具寿命平均具有复合PVD处理技术处理的模具3倍以上的使用寿命，因此当模具寿命要求比较高时，TD覆层处理技术运行成本只是复合PVD覆层处理技术的一半以下。
3）重复处理问题
一般来说，复合PVD处理技术可以处理无数次，而TD覆层处理技术一般处理3-4次后就会出现使用寿命会不断降低，并容易出现开裂现象。但根据我司多年的经验，一般一次TD覆层处理的模具寿命完全可以满足一个车型的冲压要求，相反复合PVD处理技术有可能需要多次重复处理，除了加工成本的提高，考虑到复合PVD模具处理需要的多次模具拆卸及表面处理的时间，毫无疑问也会影响生产效率。
汽车冲压成形模具之所以需要进行特种表面处理，其首要目的是解决模具表面拉伤问题，其次是提高模具寿命并保持产品零件尺寸的一致性。
当前必须解决汽车冲压模具表面拉伤问题的原因是：为了使汽车轻量化，汽车大量采用高强度钢板，高强度钢板在冲压成型过程中，模具工作面成型应力较低强度钢板大，模具工作面和成型钢板间普遍出现严重的粘着磨损，并在模具工作面和工件表面会出现严重拉伤现象，拉伤现象的出现影响产品表面质量，降低生产效率，因需要不断修模还严重影响产品尺寸的一致性以及模具寿命。
要解决模具表面拉伤现象有许多方法，这些方法的核心是阻止模具与成型板料间的粘着磨损，这些方法可以分别是在成型板料、板料与模具间或模具上采取措施。常见的方法可以是对成型板料进行表面处理（如磷化），在模具与板料间加一层有机膜（如添加塑料薄膜或高粘度润滑脂），改变模具材料（铍铜合金、硬质合金），对模具进行特种表面处理（TD，PVD，镀硬铬等）。以上方法实践中根据产量、工况、成型件大小等情况都有使用，对于汽车冲压成形模具考虑到成本等因素，目前应用最多的是对模具进行特种表面处理，目前主要是TD覆层处理，复合PVD，镀硬铬，氮化。其中镀硬铬和氮化处理由于结合力和耐磨性较差，可以用于成型应力较小的场合，并且这两种技术可以对大型模具进行处理，所以这两种技术主要应用于大型汽车覆盖件模具；对于底盘、加强板等类零件普遍采用TD覆层处理和复合PVD处理，以下主要分析这两种技术的优劣势。
二、TD覆层处理技术及复合PVD技术的比较
1、 两种表面处理形成覆层的种类
1） TD覆层处理可以在工件表面形成硬度很高的一种或多种金属碳化物复合的覆层，其中目前应用较多的是碳化钒(VC)覆层；
2） PVD（物理气相沉积）,PCVD（物理化学气相沉积）处理技术处可以在工件表面更多的表面强化相，包括金属碳化物、氮化物、氧化物或其复合的化合物；单就表面硬度，由于PVD、PCVD处理技术可以方便地改变覆层的成分，也可以通过改变工艺方法改变表面覆层的组织结构，所以PVD处理法可以形成比TD法更高的表面硬度；但目前PVD、PCVD法在模具上的应用较多的是氮化钛（TiN）、氮碳化钛（TiCN）、氮铝化钛（TIAlN）、氮化铬（CrN）一类的覆层，其硬度一般低于TD覆层碳化钒的硬度。大量实践表明，无论PVD采用何种覆层种类，单一PVD覆层在拉深冲压成型类模具上覆层很容易剥落很难取得使用效果，为提高覆层与母材的结合力，目前在汽车模具上一般都是采用先氮化再进行PVD处理的复合工艺。
2、两种表面处理与母材的结合力比较
TD覆层处理后覆层与母材属于冶金结合，使用中不容易脱落；复合PVD覆层与母材结合力有如电镀，属于机械结合。大量实践表明， TD覆层可以承受比复合PVD覆层大得多的应力而不会脱落。
3、两种表面处理的处理温度及对基体材料的要求和对模具变形量的影响
1） TD覆层处理是属于高温处理，温度一般是900℃-1050℃，对于工模具为达到比较好的使用效果，一般处理后需要进行淬火回火过程，所以TD覆层处理技术有变形的问题，控制不好有可能会出现开裂问题。为减小工件变形和减少开裂倾向，对工件的材质要求比较高，一般需要采用淬火变形量比较小的高合金钢，如常用的高铬合金工模具钢Cr2MoV，SKD11,Dc53，D2等；对于变形要求不太严格的工件对材质品质也可以要求不高，如采用Cr12或冶炼质量比较差的Cr12MoV。
2） 复合PVD处理技术处理温度比较低，一般400℃-600℃，对于钢制工件其突出优点是处理后工件变形都很小。要取得比较好的使用效果复合PVD处理对母材材质要求很高，一般应用最多的是高速钢或粉末高速钢，或是品质优良的高铬合金工模具钢如Cr12MoV,SKD11,DC53，D2等，要是材质不均匀或成分没有达到标准，复合PVD覆层处理以后效果难以体现。
4、两种表面处理的处理温度及对前期热处理的要求
1） 需要进行TD覆层处理的工件，一般对工件的前期热处理没有要求，只是对于汽车组合模具，考虑各种因素要求高温回火（480℃-520℃）。
2） 需要进行复合PVD处理的工件，一般都是工件材料已作过高温回火的零件。对于高速钢，粉末高速钢，此类材料一般都是高温回火状态使用，所以可以直接进行复合PVD处理；对于高铬合金模具钢如Cr12MoV,SKD11,DC53,D2等材料，对于前期热处理必须采用高温回火（480℃-520℃）才可以进行复合PVD处理。
5、两种表面处理工艺的应用领域及效果比较
两种表面处理都可以用于提高模具寿命和解决模具表面拉伤问题。其中TD覆层用于受力比较大的场合，复合PVD覆层用于受力比较小的场合；对于1mm以上的强度高于400MPa的高强度钢板成型，一般采用TD覆层处理；厚度较薄，强度较低的可以采用复合PVD处理技术，对于形状较复杂的成型模具，考虑到冲压成型模具即使板料比较薄强度较低，总有受力比较大的部位，所以采用TD覆层处理可靠性更高。一般精度要求很高的工件只能采用复合PVD处理。此外模具总体寿命TD覆层处理一般是复合PVD覆层寿命的3-4倍。
三、汽车冲压成型模具表面处理技术选择问题
1、从模具制造角度
由于复合PVD处理技术变形很小，处理后模具基本上不会变形，做完表面处理后模具无需研配就可以直接装配（热处理工艺不合理除外）；相反TD覆层处理后模具有变形问题，一般组合模具镶块需要研配才能正常使用，特别是要是模具结构不合理和TD处理厂家不专业时将会带来模具变形过大甚至引起开裂现象，这样模具调试阶段需要耗费一些工作量。因此从模具制造角度来说，采用复合PVD表面处理技术省事省力，而TD覆层处理技术相对来说就比较麻烦。
2、从模具使用角度
1）适用的工况
TD覆层处理具有更高的承载能力，表面处理时无论深孔，窄缝等都能有均匀的覆层，所以TD覆层处理几乎可以适应乘用汽车的各种板料成型工况，如板料厚度（～5mm）、强度(～800MP)、模具复杂程度的变化。相反，复合PVD技术覆层与母材结合力远低于TD覆层处理技术，承载能力较低，此外，对于尖角容易出现温度过高，深孔窄缝处很难形成均匀的覆层，所以只适用于板料较薄（～1mm），强度较低（400MPa以下），形状比较简单的模具。需要说明的是由于TD覆层处理有变形问题，不适合组合式外板件模具的表面处理，整体式模具除外。
2）经济性
大量实践证明，TD覆层处理技术处理过的模具寿命平均具有复合PVD处理技术处理的模具3倍以上的使用寿命，因此当模具寿命要求比较高时，TD覆层处理技术运行成本只是复合PVD覆层处理技术的一半以下。
3）重复处理问题
一般来说，复合PVD处理技术可以处理无数次，而TD覆层处理技术一般处理3-4次后就会出现使用寿命会不断降低，并容易出现开裂现象。但根据我司多年的经验，一般一次TD覆层处理的模具寿命完全可以满足一个车型的冲压要求，相反复合PVD处理技术有可能需要多次重复处理，除了加工成本的提高，考虑到复合PVD模具处理需要的多次模具拆卸及表面处理的时间，毫无疑问也会影响生产效率。
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