汽车覆盖件模具中常见材料及其热处理.doc

汽 车 覆 盖 件 模 具 中 常 见 材 料 及 其 热 处 理胡彦固 上海通用东岳汽车有限公司（山东烟台 264000）【摘要】结合现场实例，介绍了汽车覆盖件模具中常见材料及其热处理，最后形成一个简表，以期对汽车覆盖件模具的日常维护、保养有所借鉴。关键词：汽车覆盖件模具；常见材料；热处理中图分类号：TG385.2；TG162文献标识码：B文章编号：CS2011-30-030Heat Treatment of the General Materials in Automobile Panel Dies【Abstract】In this text, introduce heat treatment of the general materials in automobile panel dies with actual work. gained a simple table which may provide help for automobile panel dies in daily maintenance for automobile panel dies.Key words：automobile panel die；general materials；heat treatment1引言要保证汽车覆盖件的质量，首先要保证覆盖件模 具的质量，其影响是直接的，模具在使用时要承受较 大的载荷，如剪切力、压力、弯矩等。因此，其要求主 要表现在：高强度和高硬度；高耐磨损性能；高 冲击韧性；热处理工艺简单，淬透性好；良好的机 械加工性能；价格便宜，市场供应方便充足。模具 必须有足够的强度和刚度，这是保证模具正常使用的 前提；模具要有简单、合理、标准和安全的结构；模具 要有精确的、耐磨的型面配合。因此与一般模具相 比，汽车覆盖件模具具有独特的特点。鉴于以上特点，模具材料的选用要求就比较苛 刻，而且其热处理要求也会比较高，随着汽车产销量 的日益提升，这些特点会越来越明显。碳 量 的 数 量 产 生 各 种 牌 号 的 钢 种 ，常 见 的 牌 号 有T8A、T10A 等，碳素工具钢目前作为一个老的钢种，己 逐渐被淘汰。（2）合金工具钢，一般有铬系工具钢如（Cr12）和 铬钨钼钒系工具钢（如 CrWMn）。汽车模具上使用的 合金工具钢要求有两种状态:铸态和锻态，对于形状复 杂的凸凹模或刀刃采用铸态合金工具钢，浇铸成形， 机加工后进行真空热处理。（3）铸铁，包括灰口铸铁、球墨铸铁、合金铸铁等， 常 见 牌 号 有 GG25、GGG70L、FCD600、HT250、 QT60-2、GM241、GM338 等，除了 HTl50、HT200、GG25 外，都可以进行火焰表面淬火，铸造性能好。可用做 模板底座、拉延凸、凹模和压边圈。（4）空冷钢，空冷钢贵重合金元素少，生产成本 低。是一种以铸代锻的高碳低合金钢，适用于冲压1.2mm 以下钢板材，常见牌号有 ICD5、HMD5，AMC5，SX105V 等。可用作模具的修边刀口、翻边镶块，整形2汽车覆盖件模具中常见材料（1）碳素工具钢。该钢种以铁元素为基体，以含天大学学报，2005，37（2）：262268.Abumaizar R J, Svestka J A. Rescheduling Job Shops under Random DisruptionsJ. Int. J. Prod. Res., 1997,35:20652082.Sabuncuoglu I,Karabuk S.Rescheduling Frequency in an FMS with Uncertain Processing Times and Unreliable MachinesJ. Journal of Manufacturing Systems, 1999, 18，objective GeneticAlgorithm for Job Shop SchedulingJ.Production Planning&Control, 2001, 12(8):764774.9 王凌.车间调度与遗传算法M.北京:清华大学出版社，2003. 10 余建军，孙树栋，郑峰. 基于动态评价免疫算法的车间作 业调度研究J. 机械工程学报，2005，41（3）:2530.11 潘全科，王文宏，朱剑英. 一类解决 Job Shop 问题的改进 遗传算法J. 中国机械工程，2006，8（17）:866869.1314嘉善天艺科技有限公司 专 业 生 产 钢 球 保 持 架 电镶块等。主要特点是工艺性好，淬火温度低，热处理变形小，强韧性好，并具有适当的耐磨性，常用于制做 汽车等生产线上用的模具零件，火焰淬火时加热模具 刃口切料面，硬化层下又有一个高韧性的基体做衬 垫，从而使模具获得较高的使用寿命。以上 4 种系列的材料在汽车覆盖件模具的使用比 较多，但还有一些特殊的材料也有应用，例如高速钢（W18Cr4V 和 W5Cr4Mo5V2，其硬度高，耐磨性优良， 抗冲击韧性特别好）、硬质合金等。高温回火，使碳化物以极小的质点析出，可得到超细的目的。Cr12 型模具钢球化退火后的碳化物颗粒平均尺 寸为 0.91.5m，经超细化处理后，平均尺寸可细化到0.20.5m。细化后的 Cr12 型模具钢，不仅硬度、强度 增加，而且韧性、抗冲击性也会大幅提升，因此，细化处 理是此类钢种应用较成功的热处理工艺；调质热处 理。一般将其安排在粗加工之后，精加工之前，其目的 是减少以后热处理的变形和改善原始组织，提高其综 合使用性能，尤其是网状碳化物细化或重新组合。（3）铸 铁 ，包 括 灰 口 铸 铁 、球 墨 铸 铁 、合 金 铸 铁 等。这里主要介绍表面热处理。a.镀铬。镀铬层厚度达 36m 左右，经镀铬处理 后，模具有如下优点：表面平整、光洁、易于脱模，保 证了产品表面光洁、平整；镀的过程中原零件变形 小，表层镀铬后可增强硬度（65HR 以上），耐高温达500、耐腐蚀、防酸、耐磨损、防拉毛。 前处理：一般情况下，钢铁零件电镀黑铬，多数以镀铜或镀镍作底镀层，而高档产品则往往以铜、镍乳 白铬、黑铬组合镀层做防护装饰镀层。对铜合金零件 经除油酸洗等前处理，可以直接镀黑铬，而高档产品则 以镀镍作底镀层，然后再镀黑铬，防护装饰效果更好。 后处理：电镀黑铬产品零件经清洗吹干后，若采用 浸热油封闭，其防护装饰效果会进一步提高，也有在其 表面喷涂有机透明涂料，从而大大提高防护装饰效果。注意后处理镀液中的 SiF6，如果 SiF6 含量偏高，黑 铬镀层容易脱落，可以通过电解处理使之降低并保持在工艺规定范围。注意镀液中 CrO3含量不得低于 250g/ L，否则镀层耐磨性较差，而 H3BO3 含量不低于 20g/L时，否则，镀层结晶粗糙，硬度与耐磨性会有所降低。通常情况下阴阳极面积比在 1:51:10 的范围较为有利。 b.表面淬火热处理。拉伸模的凸、凹模的各种零 件多用球墨铸铁或钼铬铸铁。这些材料均能实用火 焰淬火工艺，淬火硬度在 50HRC 左右。淬火时应注意 当加热区域为暗红色时，就及时转移部位，以防过热，若未达到暗红色时就转移位置，则淬火后的硬度不 高，淬火后的部位应用冷水激冷一下，以减少退火影 响。这种方法对操作者要求较高，且操作时应注意眼 部保护，铸铁淬火不可重复进行。对于一些拉伸深度大的内板零件，由于板料与模 具成形表面作用力大，对于型面气孔、裂纹、夹杂等缺 陷敏感，对模具表面硬度要求较高，容易产生拉伤。2汽车覆盖件模具中常见材料的热处理在固态下将钢加热到一定温度，进行必要的保 温，以适当的冷却速度冷至室温，改变钢的组织结构 和性能的工艺方法称为钢的热处理。热处理的目的 在于不改变工件的尺寸和形状，只通过改变材料的内 部组织结构来得到所需性能。热处理工艺主要以下 几类：普通热处理（退火、正火、淬火、回火），表面热处 理（表面淬火、电镀铬、激光熔缚热处理等）、化学热处 理（渗氮、渗碳，碳氮共渗）。热处理工艺在模具制造中和维修中都是必须的工 艺环节，尤其在模具磨损后的维修中，通过热处理工艺 可以有效提高模具工作型面的耐磨性能、硬度等，对模 具的使用寿命和覆盖件的冲压质量具有重要作用。（1）碳素工具钢，主要应用普通热处理，由于此类 材料逐步被淘汰，在此不一一赘述。（2）合金工具钢，以 Cr12 为例，由于该钢中含有较 多的碳化物且存在成分偏析现象，造成机械性能的各 向异性，不同热处理工艺对其性能的影响是很大的。预先热处理：退火。有完全退火、不完全退火、 等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火和再结晶 退火。退火是将模具加热到材料的临界温度以上 2030，保温一段时间后缓冷，获得接近平衡状态的组 织。退火用于消除模具内应力，降低硬度，使工件易于 冷加工成形以及使钢的成分均匀化、晶粒细化，为最终 热处理做组织准备；正火。正火和退火的目的基本 相同，主要区别在于冷却速度。正火冷却速度快，获得 的组织较细，其强度、硬度、韧性都比退火高，正火可作 为要求不高钢种的最终热处理。Cr12 型模具钢的正火 的主要目的是消除网状碳化物；细化处理。在这里， 实际上是一种细化碳化物处理，它是高温固熔处理，使 组织中的碳化物全部固熔于奥氏体中，淬火后再进行嘉善天艺科技有限公司 专 业 生 产 钢 球 保 持 架 电采用镀铬处理以后，获得良好的表面光洁度和硬度，拉伤消除。如图 1 所示，某家用轿车的后地板的拉伸模，材质 为 GM338，镀铬之前，拉伸筋、槽及压边面工艺凸包圆 角，拉伤频发，造成大量零件报废及生产停机，多次维 修后，效果不明显。镀铬后，生产 8 万余件，无相同及 类似问题出现。渗氮，是在一定温度下一定介质中使氮原子渗入工件表层的化学热处理工艺。常见有液体渗氮、气体 渗氮、离子渗氮。传统的气体渗氮是把工件放入密封 容器中，通以流动的氨气并加热，保温较长时间后，氨 气热分解产生活性氮原子，不断吸附到工件表面，并 扩散渗入工件表层内，从而改变表层的化学成分和组 织，获得优良的表面性能。如果在渗氮过程中同时渗 入碳以促进氮的扩散，则称为氮碳共渗。常用的是气 体渗氮和离子渗氮。渗氮层厚度一般为 0.10.2mm。 渗入钢中的氮一方面由表及里与铁形成不同含 氮量的氮化铁，一方面与钢中的合金元素结合形成各 种合金氮化物，特别是氮化铝、氮化铬。这些氮化物 具有很高的硬度、热稳定性和很高的弥散度，因而可 使渗氮后的钢件得到高的表面硬度、耐磨性、疲劳强 度、抗咬合性、抗大气和过热蒸汽腐蚀能力、抗回火软化能力，并降低缺口敏感性。 对于一些翻边模具，为了控制回弹以及定型，间隙一般小于板料厚度，这样翻边块与板料作用力就很 大，使得板料对于气孔、裂纹、棱线及硬度要求很高， 否则会造成翻边拉毛，特别是对于镀锌板零件。翻边 镶块多为空冷钢，图 3 是某中级家用轿车行李箱盖外 板模具，翻边块为 ICD-5，渗氮后生产 20 万件，无拉毛 现象出现。图 1 拉伸模（4）空 冷 钢 ，常 见 牌 号 有 ICD5、HMD5，AMC5，SX105V 等。SX105V 是日本爱知的火焰淬火钢。相当 于我国的低合金冷作模具钢类 7CrSiMnMoV（简称 CH） 等。HMD5 是日本日立牌号的火焰淬火模具钢，具有 较高的硬度，热处理变形小，可焊接，用于板金件模 具。火焰淬火温度 9401,100，理论硬度61HRC， 日本日立模具钢 HMD5 高硬塑料模具钢。它们可进行 表面火焰淬火处理，但由于淬透性较差，冷却时易出现 程度不均匀、纤维裂纹等现象，所以只在应急时使用， 一般还是采用常规热处理方法。空冷刚是理想的表面 火 焰 淬 火 材 料 ，这 种 钢 的 的 淬 火 范 围 宽 ，在 8401,000均可，而且淬透性好，变形率小，只有 0.02%0.05%，材料价格便宜，淬火硬度可达 58HRC 以上。 对于修边模具中的修边刀及废料刀，既要求刀口硬度在 50HRC 以上，而刀块基体要求足够的韧性， 因此，多采用火焰淬火处理，获得刀口局部高硬度，而 基体不失原有的韧性。如图 2 所示为某轿车翼子板的 切断刀，火焰淬火后，生产 1 万件，状态良好。图 3 轿车行李箱盖外板翻边模3汽车覆盖件模具其它常见热处理工艺（1）TD 技术。热 扩 散 碳 化 物 覆 层 处 理（Thermal Diffusion Carbide coating Process）简称 TD 处理。是在一定的 温度下，工件在特种介质中，通过热化学反应扩散在 工件表面形成一层几微米至几十微米的金属碳化物 覆层。TD 处理适用于汽车冲压模、五金模，含各种挤 压模、成形模、拉伸膜、滚压模、折弯模、扩口缩口模、 弯管模等。针对模具在生产过程中出现拉伤、工件拉图 2 切断刀嘉善天艺科技有限公司 专 业 生 产 钢 球 保 持 架 电毛等现象，目前使用 TD 处理是最好的解决方法，并且能延长模具使用寿命 8 倍以上，减少了反复修模、装 模，提高了生产效率，改善了产品的质量，大幅降低了 生产成本。TD 处理与其他表面处理比较如表 1 所示。表 1 TD 处理与其他表面处理比较与堆焊、喷涂、电镀和气相沉积相比，激光熔覆具有稀释度小、组织致密、涂层与基体结合好、适合熔覆 材料多、粒度及含量变化大等特点，因此激光熔覆技 术应用前景十分广阔。熔覆材料：目前应用广泛的激光熔覆材料主要 有：镍基、钴基、铁基合金、碳化钨复合材料。其中，又 以镍基材料应用最多，与钴基材料相比，其价格便宜。 如图 5 所示，某运动型家用轿车上模经激光熔缚处理后，连续生产 10 万件，无拉伤现象出现。注：优 良 中一般含碳量高于 0.3%的各类钢件都可以成为模具钢，为了达到各项指标，性能优良，必须优选表 2 所 示模具钢，热处理工艺如图 4 所示。表 2 优选模具钢图 5 家用轿车上模激光熔缚处理后汽车覆盖件模具热处理工艺对比汽车覆盖件模具热处理工艺对比如表 3 所示。表 3 汽车覆盖件模具热处理工艺对比4图 4 热处理工艺TD 处理模具注意事项：（1）避免焊接，补焊，尤其是不同材质的焊接。（2）避 免 内 直 角 ，尽 量 保 证 3 5 以 上 的 R 角 加工。（3）避免孔壁过薄，避免前期热处理开裂。（4）模具工作面抛光 Ra0.8m 以下。（5）前期热处理必须高温淬火（1,0201,030）， 高温回火（500520）基体硬度 583HRC。（2）激光熔覆。 激光熔覆亦称激光包覆或激光熔敷，是一种新的表面改性技术。它通过在基材表面添加熔覆材料，并 利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔 凝的方法，在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔 覆层。参考文献上海通用人力资源部员工发展室. 上海通用汽车有限公司 汽车冲压高级工培训教材M. 内部印发使用，2008.姜奎华. 冲压工艺与模具设计M. 机械工业出版社，2000. 王新华. 汽车冲压技术M. 北京理工大学出版社，199