为满足轻型载货汽车结构强度及轻量化要求，厚板料高强度钢板在轻型载货汽车上的应用越来越深入。到目前为止，轻型载货汽车纵梁几乎都采用厚板料高强度钢板。然而，厚板料高强度钢板在轻型载货汽车纵梁上的拉毛问题一直影响产品质量，困扰着工艺人员。
拉毛问题的出现往往不能进行批量连续生产，需要停线调试修磨镶块，匹配间隙对零件表面进行打磨处理，造成冲压件的一致性差，生产效率低，工人劳动强度大，影响模具寿命及冲压件的外观质量和尺寸精度。
　　
汽车纵梁拉毛原因
目前轻型载货汽车纵梁普遍使用的高强度钢板材料牌号一般为510L、610L和710L等，料厚5～10 mm。抗拉强度大，变截面区域多，成形力非常大，且材料为热轧板，表面含有一层氧化皮，成形过程中氧化皮易脱落，这是在实际生产过程中容易产生拉毛的主要原因。
拉毛现象主要表现在冲压成形工序中，经微观分析，在成形力和摩擦的副作用下，镶块表面和冲压板材表面的吸附层和油膜被破坏，刚开始是表面凸起部位先失去油膜，随后吸附层被破坏，产生原子级接触而出现冷焊现象。镶块表面和冲压板材表面的金属离子相互吸附、扩散，由于冲压板材镶块本身的晶粒缺陷，两种洁净表面金属离子吸附力大于有缺陷的原子键或正常原子键，板料晶粒被剥离而粘结在镶块表面上，随着成形的继续进行，板料连续滑过模具表面，这些先粘附的凸起部位更易挤压破坏板料表面油膜而吸附、扩散和剥离板料表面，发生再次粘结，多次循环造成粘结点增生形成积瘤。由于积瘤的每层金属晶粒都经过了晶粒破碎和位错变化，金属塑性变形抗力增大，其硬度和强度显著升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化现象。积瘤具有比板料更高的硬度，可达板料硬度的2～3.5倍。成形不断进行，长高的积瘤像一把铲刀，会铲去滑过积瘤处的金属板料，产生划伤鳞刺和犁沟损伤，在制件上留下拉毛缺陷。
　　
拉毛的解决方案
拉毛现象解决思路：①模具表面处理，目的是加大模具表面硬度；②将模具镶块材质换成较软的铜合金材质，由于铜合金硬度相对纵梁板材软很多，在成形过程中避免划伤纵梁板材；③将模具镶块材质换成较硬的硬质合金材质，由于硬质合金硬度相对纵梁板材硬很多，避免在成形过程中产生积瘤；④增加模具表面与冲压件之间的润滑度。
模具表面处理方面，针对薄板中低强度钢板应用最多的是各类渗氮和镀硬铬工艺，这两种表面处理方法的抗拉伤性能较好，但表面硬化效果较差，硬度约为HV1 000左右，表面硬化层磨损后拉伤又会出现。此外，镀硬铬的镀层与模具母材机械结合，在成形压力较大时容易脱落，镀层一旦脱落，抗拉伤性能也就失去。PVD或PCVD的镀层（如镀钛层）也具有良好的抗拉伤性能，由于镀层硬度可以高达HV2 000～HV3 000，甚至更高，因而也具有比较好的耐磨性能，只是镀层与母材结合力较差，在冲压件为高强度钢板等模具上使用时很容易使镀层脱落，发挥不出其抗拉伤和耐磨效果。表1所示为几种常见的处理模具拉毛问题方法的优劣对比。
从表1中可以看出,适合轻型载货汽车车架纵梁成形模具的表面处理方法有TD处理和硬质合金两种方案。但硬质合金韧性差、加工难度大、周期长、成本高，成本大概是TD处理的15倍，制造周期是TD处理的2倍，且硬质合金的表面硬度也没有TD层高，所以，针对冲压厚板料高强钢板的成形模具，目前使用较多的是TD处理。

表1  几种常见的模具拉毛问题的处理方法

TD处理简介
TD处理全称为“热扩散法碳化物覆盖层处理”（Thermal Diffusion Carbide Coating Process）,是一种通过高温扩散作用于工件表面形成一层数微米至数十微米的金属碳化物TD层的过程。
1．TD层形成过程
TD层形成过程如图1所示。

图1  TD层形成过程

2．TD层的耐磨性能
对于轻型载货汽车车架纵梁来说，镶块材质一般是Cr12MoV，图2和表2所示内容为镶块TD处理前后耐磨性的变化及数据对比。

图2  耐磨试验

表2  耐磨试验TD前后耐磨数据

TD处理在北汽福田汽车M4项目纵梁上的应用实例
北汽福田汽车股份有限公司在开发的M4轻型载货汽车项目左右纵梁是变截面的（图3），纵梁的材质是510L，抗拉强度550 MPa，料厚5 mm（材料力学性能见表3），普通的辊压成形无法实现，在这个项目中使用了冲压模具成形，模具成形镶块材质Cr12MoV,淬火后硬度可达HRC58～HRC62 ，但在调试时发现纵梁变截面在成形过程中易拉毛，为保障纵梁顺利生产，于是将模具成形镶块进行了TD处理（表4）。

图3   M4项目轻型载货汽车纵梁

表3   M4项目纵梁材料性能参数

表4  M4项目两次TD处理后实际生产情况

为应对可能出现的模具拉毛现象，在纵梁成形模具设计制造阶段就准备好了相对措施：将纵梁变截面区域镶块进行TD处理（成形模具镶块材质：Cr12MoV）。
在本实例中，当模具冲压了3 000次时，镶块TD层失效，局部磨损脱落，纵梁拉毛，针对纵梁拉毛和TD层磨损状况,在原来基础上又做了一次TD
处理。
如表4所示，第二次重新做TD处理的效果不太好,只生产了1 000次就又磨损了。
　　
失效原因分析
为找出北汽福田M4项目轻型载货汽车纵梁成形模具表面TD层磨损失效的原因，研究了TD层与载荷的关系，现借用一个TD层的磨损试验进行验证。
在MM200磨损试验机上进行无润滑、纯滑动磨损试验。试样材质为Cr12MoV，处理工艺为950℃的TD渗钒4 h，对比试样的处理工艺为1020℃淬火后180℃回火2 h，配磨材料为正火态45号钢。加在试样上的载荷和对磨时间有以下两种情况：49 N、4.5 h和147 N、3.5 h，转速为400 r/min。由于试样的初期磨损重大且不稳定，这可能是由于粘附在试样表面上的少量残盐和TD层表面存在的少量硅元素而产生的影响，因此试样先经过30 min预磨，然后进行磨损试验，且每隔30 min将试样取下，清洗干净后用万分之一精度的光学读数，分析天平称重，计算试样的磨损量。摩擦力矩大小由试验机上直接读出。
由表5试验结果可知，Cr12MoV钢经过TD处理后比无TD层试样的耐磨性大幅度提高。随着载荷的提高，摩擦力矩、摩擦系数、磨损率也随之提高。

表5  滑动磨损试验结果

随着载荷的提高，切应力和正应力相应增大，摩擦对试样的整体切削作用加大，试样表层存在缺陷的区域易产生破坏，或者发生塑性变形，磨损量增大；摩擦表面微凸体压入深度增大，真实接触面积大，使磨损增加。
由此可知TD层的使用寿命与载荷有关，载荷越大，TD层寿命越小。试验结果解释了北汽福田M4项目车架纵梁成形模TD层的使用寿命为什么只有3 000次，比应用于其他薄板材中低强度钢板成形模具的TD层寿命小的原因。
进一步研究TD层的磨损失效机制，做出高低载荷下TD层的磨损曲线，以TD镶块试样的磨损量为Y轴、时间为X轴，做出磨损量与时间的关系曲线，如图4所示。对于低载荷磨损，在给定的磨损时间内磨损速率一直稳定，即处于稳定磨损阶段，这表明在49 N的载荷下磨损4.5 h后试样还未进入剧烈磨损阶段，而对于高载荷情况，磨损3 h后即可观察到磨损速率急剧增加，说明已经进入剧烈磨损阶段。

图4  磨损量与时间关系曲线

在磨损初期，TD层在两种载荷下的摩擦形貌都是大量平行于滑动方向的擦伤沟槽，属擦伤机制。随着时间的延长，磨粒对涂层表面滑动过程中的切削作用使沟槽加深变宽，数量增多。表面沟槽主要有以下两种原因形成：①摩擦面微突起的变形和断裂；②切削犁沟或生成隆脊所产生的切削。
在低载荷下进行4.5 h的磨损后，观察试样的磨面，发现试样表面的TD层减薄，但未观察到裂纹或TD层的脱落。在高载荷下观察试样磨面，可以发现当稳定磨损阶段向剧烈磨损阶段过渡时，磨面上出现了犁沟和裂纹，磨损率明显上升，继续磨损，试样TD层最终沿裂纹处剥落，如图5所示

图5  49 N（左）和147 N（右）载荷下TD层磨损分别在4.5 h（左）和3 h（右）后的SEM形貌

通过能谱仪对TD层剥离区进行成分分析，发现该区内的碳（C）、钒(V)含量远低于TD层的碳（C）、钒(V)含量，而铁含量急剧增加，这表明剥落裂纹存在于结合界面以下位置，说明界面结合强度较高，即使在高载荷作用下，二者的结合依然很牢固。但是由于TD层和镶块基体的硬度差较大，在法向载荷和摩擦力的共同作用下，在界面以下邻近处产生界面裂纹并且逐渐向两侧扩展。裂纹直到与TD层相遇而止裂，这是由于TD层中超细晶粒组织具有良好的断裂韧性的缘故。随着磨损过程的继续，TD层逐渐减薄，在原裂纹尖端附近的应力高于TD层的断裂强度，致使TD层破裂，进而导致TD层的剥落。因此其磨损机制属于疲劳剥落。
图6为磨损形貌SEM。图6a和图6b分别为磨痕中产生的裂纹、裂纹源扩展。由于在往复式磨损方式下进行，磨损区域受到交变压应力作用，在光滑区域部分产生裂纹，如图6a箭头所指区域，随着裂纹的扩展，会导致表层的碳化钒剥落，形成剥落坑。往往裂纹首先产生在缺陷较大的区域，如空洞、疏松层以及边角处等，由于TD层存在少量的空洞，而空洞的存在会在后期磨损中成为裂纹源。图6b箭头所指区域为裂纹源扩展，由于边缘处往往会产生应力集中，这也是后期裂纹萌生的发源点，这与疲劳磨损机制相符合。此外，图6c所示为TD层表面形貌SEM图，图中黑点区域即为TD层的空洞，在磨损初期，由于空洞边缘处易产生应力集中，故孔洞周围区域首先被磨损。

图6   TD层磨痕形貌SEM

在试验里，我们分析了TD层与载荷的关系，以及TD层失效的微观形貌，下面需要研究TD层与摩擦的关系，因为在福田M4轻型载货汽车纵梁成形中使用的板材是热轧板，表面存在氧化皮，在成形过程中由于氧化皮脱落会增加TD层的摩擦系数，摩擦粗糙度越大，磨损系数越大，越容易产生犁沟，TD层越易磨损失效。
　　
结论
一般冲压件拉毛问题，可选用TD处理方式，但对于轻型载货汽车车架纵梁来说，TD处理技术并不能彻底解决车架纵梁成形模具拉毛问题，尤其是纵梁坯料为热轧板的情况下。
粗糙度和载荷是造成TD层失效的主要原因，粗糙度越大，TD层失效速度越快；载荷越大，TD层失效速度越快，均成正比。
疲劳磨损的根源是TD层受力大，而TD层下的基体相对较软，在外力作用下，TD层和基体在微观上同时受到挤压至变形，变形位移量相同，但TD层与基体的屈服强度不同，多次受力挤压，在TD层与基体的界面结合位置首先产生裂纹，随后蔓延到TD层，最后在犁沟作用下发生磨损剥落。
车架纵梁成形模具易拉毛，主要原因是车架纵梁坯料为热轧板，料厚大（5～8 mm）、抗拉强度大（700～800 MPa）且粗糙度大。