超音速火焰喷涂在汽车模具上的应用
杨雪梅, 秦兴喜, 汪文奇
材料热处理技术
汽车车身冲压件最常见的表面缺陷之一是表面拉毛，拉毛刻痕不仅影响涂漆质量及外观，而且易产生应力集中，特别是对一些车身加强板件，极易成为车身锈蚀的开始，导致破裂，从而影响车身寿命。 特别是近年来，随着汽车向轻量化发展，高强度钢板的用量增多。 冲压时需要更大的压边力，就更易产生板料拉毛。 同时冲压模具的国产化，这些都导致冲压生产中的拉毛缺陷越来越多[1-2]。 如何解决拉毛问题，延长使用寿命，同时可修复利用，是降低成本的关键，同时对于提升整车质量和作业效率也具有重要的作用。
在提高模具的精度、寿命、硬度和耐磨损性能的优化方法中，对模具表面的改性处理是一个重要的方法。超音速火焰喷涂技术及设备在 20 世纪 80 年代初期首先由美国 SKS 公司的 Browning 公司研制成功，发展到至今以 JP-5000 喷涂系统为代表，其特点是燃烧室压力高、功率大、焰流出口速度高(2100m/s)；热喷涂粉末由燃烧嘴低压区沿径向注入， 使得热喷涂粉末受热均匀、充分，系统粒子的速度可达 600～650m/s，甚至超过 1000 m/s， 因此制备的涂层致密， 孔隙率小(<1%)、化学分解少 ，氧化物含量低 ，涂层与基体结合强度高[3-4]。与其他表面处理方法相比，超音速火焰喷涂技术的工序简单，成本较低，工期短，性能好，不会造成工件变形，对环境无污染。 因此在机械、冶金等行业中也有广阔的应用前景，如高速轴类零件、泵类密封件、柱塞件、轧辊等工件表面都需要提高耐磨性和使用寿命。 然而这一技术应用于汽车车身模具表面处理的报道却很少， 本文主要针对超音速喷涂在汽车车身模具上的应用情况进行讨论。
摘 要：分析了汽车冲压模具使用的工况条件，讨论了冲压模具的主要失效形式和汽车冲压件的主要缺陷，同时介绍了超音速火焰喷涂的原理、特点及应用优势。通过对超音速火焰喷涂技术在模具上的应用和效果分析得出，采用超音速火焰喷涂技术，可有效地提高模具的使用性能，消除冲压件表面的拉毛缺陷，从而延长模具的使用寿命。
关键词：汽车模具； 超音速火焰喷涂； 拉毛； 应用效果
1 汽车车身模具失效原因分析
零件工况分析是热喷涂涂层设计的基础， 要获得经济、高效、高质量的涂层，首先必须对零部件的性能要求及工况条件进行准确地分析。在正常冲压作业环境下， 车身冲压件模具的主要失效形式是模具表面粘结形成积瘤， 划伤冲压件表面，频繁打磨丧失型面精度[5]。
在汽车车身模具中， 拉延成形模具的镶块是核心部件，它直接与板料接触，承受着拉延成形过程中较大的压力和摩擦力，为延长镶块使用寿命、提高冲压件质量，根据使用工况和失效形式，镶块表面必须具备高硬度、高耐磨性和高结合强度的要求。
拉延成形件缺陷形式主要有起皱、破裂、棱线滑移、吸颈和拉毛等。前四种可以在冲压工艺方案确定阶段及模具精调阶段改善或优化， 最后一种缺陷伴随着模具应用的全过程， 只要是冲压件都存在不同程度的表面拉毛缺陷。 更有甚者，拉毛转化成犁沟，深约为材料厚度的 1/3。 无论如何，仅靠钳工抛光模具表面，不能解决拉毛缺陷。张正修[6]认为板材与拉深模腔接触面的强烈摩擦和材料的塑性变形所产生的综合热效应造成的局部升温， 它是诱发粘结造成磨损并在模腔表面出现粘结瘤的主要原因，积瘤易于造成冲压件拉毛。而田柱平[7]指出，接触接口的温度升高和模具与板料的直接接触是造成模具与板料粘着的原因， 从而形成积瘤，致使拉深件表面划伤。虽然对积瘤产生的机理看法不统一，但都认为是积瘤产生的加工硬化现象，形成具有比板坯材料更高的硬度， 使板料在拉延过程中产生拉毛。 Schedin[8]对冲压过程中拉毛的机理进行实验研究， 得出具有较高硬度、 表面光滑的模具，可以有效避免或者减少拉毛。
2 超音速火焰喷涂的选用
超音速火焰喷涂系统的原理是以煤油为燃料，氧气和压缩空气为助燃剂， 控制系统将煤油和氧气(压缩空气，或氧气与压缩空气的混合气)以一定的流量输送到喷枪， 经高性能雾化喷嘴雾化混合成可燃混合气后喷入喷枪燃烧室， 混合气经火花塞点火燃烧后形成高温高压的燃气， 通过喷嘴将其加速到超音速。 送粉系统将喷涂热喷涂粉末从喷嘴的低压区送入超音速射流，经射流加温加速后从喷枪喷出，高速喷向工件表面沉积形成涂层。
涂层系统的关键是通过调节进入喷枪的煤油、助燃剂的流量比例来调节焰流的速度和温度， 从而控制喷涂热喷涂粉末的加热和加速，以满足要求，制备高性能的金属涂层，合金涂层和氧化物陶瓷涂层。超音速火焰喷涂速度高， 热喷涂粉末与射流作用时间短，颗粒以超音速飞行撞击到基体表面，高速度、高动能和相对较低的受热，更能得到一种低孔隙度、高致密度、高结合强度、低氧化、材料成分变化小的高性能涂层，有效提高了涂层的硬度和耐磨性。与其他一些表面处理方法的性能特点对比见表 1[9-11]。 可看出，超音速火焰喷涂技术所需工序更简单，而且在生产过程、节约成本和保护环境方面更具优势。
3 实际应用和效果
实际超音速火焰喷涂处理工艺路线为： 缺陷检查→净化处理→粗化处理→预热处理→表面喷涂→抛光， 采用 WC 热喷涂粉末做涂层原料， 喷涂设备采用JP5000 型超音速喷涂机。图 1 是超音速喷涂在我公司生产的某车型 B柱内板件本体的拉延模具中的喷涂后效果。 拉延模具采用的是镶块式结构，材质为 Cr12MoV，表面硬度 58～62HRC。 B 柱内板板料的料厚是 1.8mm。图 2(a)和(b)分别是拉延镶块处理前后冲压出的制件表面。可以看出，处理前冲压出的制件表面拉毛现象很明显，影响后期焊接安装和喷漆效果。但喷涂后冲压出制件的表面明显顺滑很多， 几乎没有拉毛现象。 通过检测得出喷涂后镶块表面涂层结合力达70 MPa 以上，抛光后硬度平均达 65 HRC。
从图 3 中也可明显看出，在冲压近 8 万件之后，在模具上拉延深度较大的部分在正常冲压过程中应最先产生表面拉毛缺陷， 而经喷涂处理的镶块冲压出的部分在制件上几乎看不出拉毛缺陷， 未经喷涂处理的镶块冲压出部分的拉毛缺陷就很明显。 经过在正常生产节拍下，修模频率从原来的 1000 件 / 次降低到 5000 件 / 次，减少了人工修模工时，模具寿命得到显著提高，获得可观的经济效益。图 4 为某车型的不等料厚的激光拼焊冲压梁类件，板料材质的料厚是 1.8/2.2mm，翻边成形工序采用镶块式结构，材质也是 Cr12MoV。 因为零件很厚，未经喷涂处理的模具翻边成型后几乎得不到合格的零件。 从 4(a)可以明显地看出，喷涂处理前冲压出制件的表面拉毛现象非常严重， 在检具上匹配效果很差。而从图 4(b)中看出，经喷涂处理后制件的表面状态改善很多，拉毛缺陷基本完全消除。
从超音速火焰喷涂在冲压模具上的实际应用中可以得出，经喷涂处理后的模具硬度得到提高，涂层结合力能满足正常使用要求， 同时冲压出零件表面的拉毛缺陷得到明显改善，经济效益显著。但其在模具中的应用也有一定的局限， 超音速火焰喷涂特别适用于锻态模具基体， 在铸态基体上的应用效果不是很理想。因为铸态基体组织相对较疏松，组织内残留的油污很难完全清除，影响涂层结合强度。
4 结语
随着我国汽车市场的不断扩大， 市场竞争逐渐加剧，汽车厂家对质量的要求越来越高，一些厂家就需要节省大量的模具维修时间和费用， 所以超音速火焰喷涂表面处理技术将会在汽车模具上逐步推广。 从目前超音速以火焰喷涂技术在模具上前期应用的实际情况来看，效果很好。而且相比其他表面处理技术，超音速火焰喷涂技术在环保、资源和成本上也更具有优势，其应用范围将会日益扩大。
图略
参考文献略
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