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热扩散法碳化物覆层处理(TD覆层处理)TD工艺

今天我们来讲讲TD覆层处理:


TD工艺是热扩散法碳化物覆层处理(thermal diffusion carbide coating process)的简称。该工艺由日本丰田中央研究所于70年代首先研制成功并申请专利,简称TD处理。我国也称作熔盐渗金属,其原理是将工件置于熔融硼砂混合物中,通过高温扩散作用于工件表面形成金属碳化物覆层,该碳化物覆层可以是钒、铌、铬等元素的碳化物,也可以是其复合碳化物,目前应用最广泛的是碳化钒覆层。碳化钒覆层的主要特点是;


(1)    覆层硬度高,可达2800~3200HV,远高于渗氮和镀硬铬(见表1),具有良好的表面耐磨、抗拉伤、耐腐蚀等性能。

TD工艺-表1.webp.jpg

2)    TD覆层是通过扩散形成的,覆层与基体具有冶金结合,覆层与基体的结合力较镀硬铬和PVDPCVD的镀层(如镀钛层)高得多,使用中不会脱落,这对在成形模上的应用极其重要。


大量的实践证明,TD覆层处理是目前避免冲压成形零件与模具拉伤问题经济而最有效的方法之一,并可提高模具寿命数倍至数十倍,极具使用价值。


TD覆层处理工艺从80年代开始陆续由日本引入世界上许多国家,由于各国的国情不同,有些国家用的很成功,也有些国家应用失败。该类工艺在日本、美国、韩国等国都已得到了广泛的应用。国内70年代即已开始研究此工艺,到目前已有数十家单位对该工艺进行过研究,发表文章数百篇,专利数项。实际上此工艺我国在80年代中期就开始起草了工艺标准,即:JB/T4218-1994硼砂熔盐渗金属,该标准于19941025日批准。但这些研究成果大多没有经过长时间生产实践的考验,应用中总是存在这样或那样的问题,所以从70年代至90年代,尽管研究的人很多,但没有一家专业从事该工艺加工的厂家。


笔者从1991年开始该工艺的研究,经过多年的研究和应用探索,从1997年开始成功应用到各类模具上,并于2001年开始在国内成立了专业从事该工艺加工业务的公司。多年来,已为数百家企业提供了TD覆层处理加工服务,并成功应用到汽车、家电、五金、制管、冶金等行业的拉伸、弯曲、翻边、辊压成形、冷镦、冲裁、粉末冶金等类模具和一些零部件上,很大程度解决了工件表面拉伤问题,大幅提高模具工作零件的使用寿命,取得了优异的使用效果,也积累了丰富的实践经验。


 以下介绍TD覆层处理工艺在汽车配件冲压成形模上的应用及有关注意事项。


2 TD覆层处理工艺在汽车模具上的应用


2.1 汽车冲压成形模的拉伤及其解决方法


每辆汽车都含有大量的冲压件,冲压件由模具冲压成形。工件在拉深、弯曲、翻边、辊压等成形过程中,很容易造成工件表面的拉伤。汽车底盘、梁类零件往往由较厚的钢板制造,出于安全和节能的考虑,越来越多地使用高强度钢板,无论厚板还是高强度钢板,其冲压或辊压成形的模具都要承受极高的成形压力,工件表面和模具表面拉伤严重,此时如继续生产,模具与工件表面质量进一步恶化,工件可能会出现拉裂。解决的方法通常是停机对模具表面进行修磨、抛光,如此反复修磨使模具尺寸发生变化。拉伤问题的出现会带来以下问题:难以满足批量连续生产的要求,降低生产效率,增加劳动强度,降低模具寿命和被加工产品尺寸的一致性,影响了产品的外观,降低产品质量。


实践表明,在没有采取其他措施的情况下,由钢铁材料制作的模具用于钢铁件的成形,当成形力较大时,无论模具如何热处理或淬火硬度有多高,拉伤问题都无法避免。


研究表明,工件成形过程中表面出现拉伤的实质是工件和模具零件表面局部出现粘着(或焊合、咬合)的结果[1] 。要解决或改善这一问题有多种方法,基本原则是必须改变模具与被加工零件这对摩擦副的性质,使摩擦副由不易粘着的材料代替。具体方法可以是:①改变模具材料或对模具进行表面处理;②对被加工零件的原料进行表面处理(如磷化);③在模具与被加工零件之间加一层其他物质,使被加工零件与模具分离(如加润滑剂或加一层PVC之类的材料)。以上方法在不同的场合下都有应用,一般情况下,经济而有效的方法是从模具方面入手,以下就是模具材料和几种常见的表面处理方法在解决此类问题时的一些应用作些简要介绍。


模具材料方面,硬质合金使大家公认的耐磨抗咬合材料,在模具不大而成形压力很大,而且形状较简单时采用此类材料在不少场合优势很大。但该材料加工困难,脆性也很大,成本高,烧制大型硬质合金困难,大型模具难以制造,所以大型汽车零件模具很难采用该材料。


用铜基合金做模具零件也能解决表面拉伤问题,存在的问题是因其强度低,耐磨性较差,很难满足大批量生产要求,另外在一些变形率较大的场合,拉伤问题也会出现。


模具表面处理方面,目前国内应用较多,比较熟悉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,但表面硬化效果有限,仅有1000HV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。所以渗氮和镀硬铬在汽车覆盖件模具上虽然有应用,但其效果有限。PVDPCVD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2000~3000HV,甚至更高,因而也具有优异的耐磨性能,只是镀层与母材结合力较差,在拉深类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,有时根本就无效果,这类工艺在成形模具上应用也很有限。


实践已证明,目前最有效而经济的解决成形模具表面拉伤问题的表面处理方法是高温化学气相沉积(即高温CVD)和TD覆层处理,这两种方法在不同国家不同场合各有偏重,相比而言前者成本较高,环保压力较大。目前日、韩、美主要应用的是TD覆层处理,我国(包括台湾地区)对于解决模具表面拉伤问题和提高模具寿命的表面处理工艺缺乏必要的了解,近年来随着外资企业的不断涌入,特别是汽车工业的高速发展,TD覆层处理工艺及其应用价值将越来越多的被人们所认识


2.2 TD覆层处理应用实例


1)图1所示为汽车配件模具镶块,其加工的是3.2mm厚、强度为420MPa的高强度钢板。该模具在没有进行TD覆层处理以前加工的工件表面出现严重拉伤,导致生产效率降低,工件的表面质量恶化,降低了模具寿命。通过对模具相关零件进行TD覆层处理以后,可解决工件表面拉伤问题,并可以提高模具寿命20~30万次。


图1所示为汽车配件模具镶块.webp.jpg

2)图2所示为车轮钢圈辊轮,成形工艺是将钢锻坯辊压成形。辊压成形模的相关零件不进行表面处理很快就会出现拉伤并咬死,无法正常生产。原来该模具一般采用盐浴渗氮处理(QPQ处理),寿命一般仅能生产不到1000件产品,又需重新拆下进行QPQ处理,生产过程中还需加入大量的机油等润滑剂,操作环境恶劣。后来采用TD覆层处理工艺,模具寿命提高至8万件以上,较原经QPQ处理的模具寿命提高近百倍,大大提高了生产效率和降低了生产成本。采用该工艺处理的模具对润滑条件可以放宽,劳动条件大为改善。



3.TD覆层处理应用注意事项


 TD覆层处理温度是850~1050℃,是一种高温处理过程,处理过程中必然会产生热应力。对于钢铁材料而言一般会有相变过程,相变的结果会形成相变应力和工件比容的变化。热应力、相变应力、比容的变化会使工件产生变形甚至开裂。而一般TD覆层处理是模具的最终加工工序,处理后不容许再加工,所以TD覆层处理工艺能否成功应用的关键是:①形成合格的表面覆层;②尽量减小工件变形,并杜绝开裂现象。根据十余年从事该工艺的研究和应用经验,要用好该工艺除需要专业的指导以外还必须特别注意以下问题:


1)               材料要求。采用热处理微变形钢,一般推荐SKD11、D2、DC53、Cr12MoV等高铬模具钢,实际上目前该工艺在模具上应用最多的也是此类材料。必须说明的是,要是用国产的钢材,建议用品质优良的钢材,否则容易出现变形超差问题。

2               冷热加工工艺。工件的热处理工艺及其冷热加工内应力对TD覆层处理加工过程变形量有较大影响,这往往需要各方面相互沟通,才能使变形量减小。

3               设计方面。汽车冲模外形尺寸往往比较大,出于制造成本、材料供应难易及冷热加工工艺限制等方面考虑,要进行TD覆层处理的大型模具零件一般都做成镶块结构,尽量减少工作部位的分型面,以减少TD覆层处理后的调模工作量。另外工件截面的急剧变化,内部有尖角、细长或薄板类钢件,热处理过程中工件容易变形甚至开裂,所以要进行TD覆层处理的工件设计时要尽量避免以上结构。

4    TD覆层处理的工件如已做过其他表面处理,如各类渗氮、渗硼、镀硬铬、PVD沉积等,需将原表面处理彻底清除,否则会影响TD覆层表面质量。已做过TD覆层处理的工件,一般只需将损伤部位修复即可再进行TD覆层处理。


TD覆层处理时间有多长?


答:一般情况两天左右

TD覆层处理有多厚?


答:通常5-20μm


TD覆层处理变形情况如何?


答:会有少量变形,但硬质合金除外。所以我们要求客户能提供图纸,并将有关热处理情况及工件的精度及公差范围告诉我们,我们也可以为您提供有关加工方面的建议,以便更好满足客户的要求


哪些材料可以用于TD覆层处理?


答:原则上含碳量高于0.3%的各类钢及硬质合金或其它含碳氮材料都可以,一般推荐中高合金钢和硬质合金,如:Cr12Cr12MoVSKD11D2Cr5MoVA2等。

可否重复处理?


答:如TD覆层局部已磨损或意外事故覆层被破坏只需将破损处修复,即可再进行TD覆层处理,重复处理次数与工件材料有关,较好的材料可以重复处理7-8,甚至更多。


已做过其它表面处理的工件可否再进行TD覆层处理?


答:除TD覆层处理以外,已做过的其它表面处理如:渗氮,渗硼,渗硫,镀硬铬,化学镀Ni-P,各种气相沉积镀层TiN,TiC,TiCN都需先去除才可以再进行TD覆层处理。


TD覆层处理主要性能指标及特点


1TD覆层表面硬度:HV2800-3200,具有极高的耐磨,抗拉伤性能。

2TD覆层厚度:4-20
μm,覆层致密光滑。

3)极高的耐蚀性能
             
4) 覆层与母材冶金结合

5)可以重复处理 


TD覆层处理组织结构

TD覆层处理组织结构.webp.jpg

TD覆层处理工艺过程


    不同的工件材料及不同的使用场合TD覆层处理的工艺有一些差别,但其基本过程都是将预制好的工件放入硼砂混合物中,在850-1050的温度下保温2-12小时,在工件表面形成覆层后,根据工件的材料或要求选择适当方式冷却(一般是淬火过程,也有不少例外),并进行一些相应的后续处理(如回火,清理,尺寸调整,抛光等)。 



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