一、TD处理技术简介

为解决汽车冲压模具在生产过程中出现的容易拉伤问题,必须对模具表面进行强化处理,其中TD(ThermalDiffusion)表面超硬化处理技术是很适合和实用的手段之一。TD处理是将模具置于硼砂熔盐介质中,在一定的处理温度下,熔盐中的金属原子和工件中的碳原子发生化学反应,通过热扩散在工件表面形成一层5~15μm的含钒、铌、铬、钛的金属碳化层。TD处理技术工艺稳定、环保、性价比高,形成的超硬覆层耐磨性好。

二、TD处理技术的原理

TD处理一般经过扩散、反应和析出3个过程,碳化物覆层的形成机理见,主要包括以下几个步骤。

a.高温盐浴中发生化学反应生成活性钒原子;

b.被处理基体表面层碳原子析出,与吸附在表面的活性钒原子形成VC,开始生成薄碳化物覆层;

c.钒与碳发生的相对扩散使覆层长大,a和b过程重复进行,使覆层不断增厚。

三、TD碳化物覆层厚度的影响因素

1.TD处理温度的影响

有研究表明,在相同的温度条件下,生成碳化物层化学反应的活化能远低于扩散活化能,碳原子在覆层中的扩散系数远低于碳原子在奥氏体基体中的扩散系数,因此TD碳化物覆层成长过程由基体中碳原子的扩散过程所控制,覆层生长速率与扩散温度之间呈指数关系、与基体中碳原子的扩散速率呈线性比例关系。另外,TD处理温度很好与基体很佳淬火温度相同,即TD处理完成后直接进行基体淬火硬化,可以避免冷却后再次加热淬火的热能消耗。

2.TD处理时间的影响

在化学热处理中,扩散物质的流量是不稳定的,扩散层各点的浓度和浓度梯度都随时间而变化,属于非稳态扩散。当工件表面为近似平面时,渗入元素在基体金属表面的浓度可以认为基本保持恒定,则扩散系数与扩散物质浓度无关,即在给定条件下,化学热处理的扩散层深度与扩散时间的平方根成正比。实际生产中,处理时间的长短也直接与生产周期和加工成本有关。

3.钢的成分的影响

在相同的TD处理条件下,TD覆层厚度随基体含碳量的增加而增厚,近似成线性关系;温度越高,TD覆层厚度增加越明显,覆层的成长速度随基体中固溶体碳含量的增大而增大。

钢中合金元素对覆层厚度的影响要区别看待,有研究观点认为:根据合金元素对碳元素亲和力的强弱,将合金元素分为非碳化物形成元素(Si、Cu、Ni、Co)、弱碳化物形成元素(Mn、Cr)和强碳化物形成元素(V、Ti、W、Mo)。强碳化物形成元素有阻碍碳扩散的作用,使TD覆层形成减缓;非/弱碳化物形成元素阻碍碳扩散的作用小,对TD覆层形成有利。

四、TD覆层的特性

TD处理形成的覆层仅由碳化物组成,该覆层几乎不降低基体钢的韧性,覆层中的碳化合物呈现出与基体中的碳化物相同的性能;并且即使TD处理温度不同、处理基体不同也不会改变覆层成分。覆层具有较高的硬度、耐热磨损性、抗热粘附性和高温抗氧化性,经TD处理的基体强度强度与未处理的基体一致。

五、TD处理对汽车冲压模具材料的要求

1.钢中含碳量

理论上TD处理要求钢材的碳含量应高于0.3%,但这里没有考虑钢中强碳化物形成元素对含碳量的影响。强碳化物形成元素将碳原子固定下来,不利于碳原子向材料表面扩散,因此适合TD处理的基材是高碳钢及含碳量较高的合金钢,常见的汽车冲压模具材料有Cr12MoV、SKD11、1.2379、1.2382等,含碳量均在1.5%左右,都符合TD处理要求。

2.钢的淬火温度

TD处理温度为900~1000℃,通常淬火温度为900℃以上的材料比较适于进行TD处理。淬火温度过低的材料进行TD处理,TD的加热过程可能会损坏钢的基体组织形态,即使获得了TD覆层,也会因基体达不到机械强度要求而无法使用。

3.基体表层质量

3.1表面粗糙度

一般使用负荷越高,表面粗糙度要求也应越高。TD处理前的抛光是确保覆层很佳性能非常关键的一步,一个抛光良好的表面能提供TD覆层和基材之间更好地粘合。TD覆层太薄(8~10μm)很难“填补”或“覆盖”划痕、加工痕迹或磨损缺陷,因此,TD处理前的表面粗糙度等同于TD处理后的表面粗糙度;另外,微粗糙的表面覆上硬度极高的TD层,使模具表面可能更像锉刀 ,会给使用带来更大的危害。

3.2表层微观组织与成分

a.基体表层为氮化层。除一些很特殊的氮化外,在绝大多数的氮化表面很难形成有良好附着力的TD覆层。如果产品经过氮化处理,必须去除渗氮层才能进行TD处理。

b.基体表层为渗碳层。渗碳处理改变了碳的分布状态,使TD处理变得复杂且不可控,也要尽量避免。

c.基体表层为脱碳层。脱碳直接影响TD覆层的结合力和硬度,甚至无法形成TD覆层。

d.镀铬、镀钛等其它表面处理。由于镀层阻隔了碳元素的扩散,因此一般有镀层的表面都难以直接形成TD覆层。

4.基体机械性能

研究表明:TD处理无法解决基体冲压过程中出现的金属疲劳问题,在交变载荷和多次非塑性变形叠加的情况下,TD覆层会先于基体产生裂纹,然后基体产生疲劳裂纹,进而覆层发生剥离(图4);进行TD处理的模具基体硬度一般要达到58~62HRC,以提高基体的抗疲劳性能。

六、TD覆层的失效和改进

1.拉延模具

TD覆层因过热失效。有试验研究表明,TD覆层在高温(500℃以上)情况下开始出现氧化现象,碳化钒(VC)覆层与氧结合生成较低硬度的钒氧化物,表面光洁度随之下降,粘着磨损开始产生