· · 《模具制造》2006年第6期
具具有一定的机械性能,可在模具机械加工前进行预
先热处理,使之达到使用时硬度 (较低硬度 25~
30HRC,较高硬度 40~50HRC),然后把模具加工成形
不再进行热处理,从而保证精密复杂模具的精度,这
就是模具钢的预硬化技术。
目前,国内外都采用在钢厂对一些钢按需要进行
热处理,并以预硬钢的形式供应市场。采用预硬化模
具材料,可以简化模具制造工艺,缩短模具制造周期、
降低生产成本,提高模具的制造精度。可以预见,随着
加工技术的进步,预硬化模具材料会用于更多的模具
类型,会有一个更大的发展。
7 结束语
本文对我国模具钢热处理技术、表面强化技术和
模具钢的预硬化技术进行了简单的阐述,一些新的热
处理技术和表面强化技术正在模具行业推广应用。相
信经过广大热处理工作者的不懈努力,模具热处理技
术和表面强化技术将会有一新的更大的发展,可以更
加充分发挥模具材料的潜力,延长模具使用寿命,使
我国模具质量水平有一个更大的提高。
TD表面覆层处理技术在汽车模具制造中的应用
湖南长丰汽车制造股份有限公司(湖南长沙 410100) 朱本协
【摘要】介绍了TD表面覆层处理技术的原理、工艺和影响工艺的一些因素,以及TD处理对
汽车模具的要求,分析了TD处理在我国没有推广的原因,在汽车模具中的技术性能优点。
关键词:TD处理;技术工艺;汽车模具;优点
TheApplicationofTDSurfaceCladdingProcessing
TechnologyinAutomobileDieManufacture
【Abstract】Itisintroducedtheprinciple,processandsomefactoraffectingprocessofTD
surfacecladdingprocessingtechnology,aswellastherequirementofTD processingto
automobiledie.ThereasonwhyTD processingdidnotpopularizedinChina,andthe
technologicaladvantagesinautomobiledieareanalyzed
Keywords:TDprocessing;technologicalprocess;automobiledie;advantages
1 引言
TD表面覆层处理技术是热扩散法碳化物覆层处
理 (ThermalDiffisionCoatingProcess)的简称,它是
1972年由日本(株)丰田中央研究所开发出来的,国外
有时也称ToyotaDiffisionCoatingProcess。1973年日本
TOYOTA、TOCALO以及美国的ARVIN等公司开始将这
项技术应用于汽车模具中,大大提升了日本和美国汽
车模具的质量,加速了日本和美国汽车模具的发展。
TD表面覆层处理技术是熔盐浸镀法、电解法以
及粉末法进行表面硬化处理技术的总称(在我国有人
称:熔盐镀金属处理)。其原理是:将工件置于硼砂(或
其他)熔盐的混合物中,通过高温热扩散作用,在工件
表面形成一层数微米至数十微米的金属碳化物覆层
(见图1)。目前国内外应用最广的是碳化钒 (VC)覆
层。由于这些碳化物具有很高的硬度 (HV=2800~
3200)和更严密的组织,所以经过TD处理的汽车模具
性能大幅提高,具有极高的耐磨性、抗咬合性(拉伤)、
耐蚀性。据资料统计:日本大批量生产的模具,85%以
上是经过TD处理的。但在我国,TD处理技术虽说得
到了一定程度的发展,但大多数停留在实验研究阶段
和小批量生产阶段,随着日本TOCALO株式会社等公
司在我国投资建厂,以及国内汽车覆盖件模具的迅猛
发展,TD处理技术开始在我国的一些高档汽车模具
制造过程中得到了一定的应用。
2 TD处理的工艺
TD处理技术的工艺
流程
快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计
为:外观及尺寸检查→
打磨、抛光→脱脂及装吊→零件预热→TD覆层处
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表1 不同表面处理工艺的性能对比
处理工艺 表面相结构 表面厚度(!m) 表面硬度(HV) 摩檫系数
渗氮 Fe-N/Fe-NC 10~20 600~1200 0.34~0.36
渗碳 Fe-C 300 600~850 0.34~0.36
CVD TiN/TiC 5~15 2200~3500 0.27~0.30
PVD TiN/TiC 2~5 2200~3500 0.27~0.30
TD VC 5~15 3000~3200 0.28~0.32
理→淬火→回火→清理(洗)→抛光→检验。
图1 TD表面覆层处理示意图
(1)外观及尺寸检查。外观检查主要检查工件外
观是否有缺陷,是否补焊等。尺寸检查主要测量加工
前零件的相关尺寸,便于装吊。
(2)打磨、抛光。TD处理所获碳化物同基体具有
很强的结合力,表现出很强的抗剥离性,当零件表面
具有缺陷时,碳化物层就容易脱落,性能变坏。另外,
零件经过打磨、抛光后再进行TD处理,表面粗糙度几
乎不发生变化,如果没有特殊要求,一般汽车模具是
不需要再进行抛光处理。
(3)脱脂及装吊。工件表面存在油脂,会影响工件
表面的活性,降低钒原子(或其他原子)与碳原子结合
的几率,对碳化物覆层的生长很不利,同时还会将杂
质带入盐浴中,影响盐浴成分。装吊是根据工件尺寸
大小、形状、加工面等放入到不同的工件架上固定。
(4)零件预热。高温预热工件(约800℃~850℃)实
际上是对工件进行正火处理,目的是改变基体的组织
结构,提高韧性,减少工件的变形。根据工件材质、尺
寸大小调节不同温度和时间。
(5)TD覆层处理。根据扩散理论,被覆碳化物的
厚度取决于基体中碳原子的扩散情况,其关系为:
D2=A×t×e(-Q/RT) (1)
式中 D———TD覆层的厚度
t———浸渍时间
T———工艺温度
Q———C原子在碳化物中的扩散活能(约为
167.47~209.34KJ/mol)
R———气体常数(8.29Kj/mol)
A———钢的含碳量等因素决定的常数(一般在
10-3~10-2)
从以上看出,影响TD覆层厚度的主要因素是盐浴
温度、处理时间和基材的化学成分(主要是含碳量)。一
般认为:TD处理的温度范围在850℃~1100℃,最佳温度
与基材的最佳淬火温度相一致,但决不可高于基材的
正常淬火温度,因为绝大部分模具在TD处理后必须进
行淬火、回火处理,以获取必要的基体硬度,如果温度
过高,必然导致基材组织的急剧粗化,甚至烧过,这些
粗化的组织直接进行淬火,将加剧工件的变形、开裂,
同时会降低基体的力学性能,影响被覆层与基体之间
的结合力。如果温度过低,不仅延长了TD处理时间,也
降低了盐浴的流动性,减慢扩散速度,影响覆层的生
长,同时基体未能完全奥氏体化,不能直接淬火。
TD处理盐浴种类有很多,如硼砂盐浴、氯盐盐
浴、中性盐浴、混合盐浴等,其中硼砂盐浴高温性能稳
定,具有很强的弥散性和除金属表面氧化物的能力,
能使工件表面充分活化,使活性的碳化物形成元素在
工件表面吸附、扩散,易与工件内部的碳原子结合,在
工件表面形成超硬的碳化物覆层。且无有害物质生
成,环保性能好。因此广泛采用。
TD处理设备主要是直接加热的电阻炉,并配有
控制精度好,温度误差小(±5℃)的温度自动控制器。
(6)淬火。淬火的目的是提高基体的力学性能,获
取必要的硬度,实验证明,油淬的效果比较好。
(7)回火。回火的目的是消除 TD处理工件的应
力,提高工件的力学性能,保证工件的使用寿命。
(8)清理(洗)。TD处理的工件表面有残留的盐存
在,要对残盐进行表面清洗。因硼砂盐在沸水中的溶
解性很好,一般将工件放入到沸水中煮1~2h。
(9)抛光。因TD处理后的工件表面有残留的氧化
物和粘附物,必须要进行抛光处理。另外对有特殊尺
寸精度要求的模具,还要进行极细微的抛光打磨工
作,保证工件的精度。
(10)检验。主要是检查外观质量(查缺陷、覆层)
和必须要保证的尺寸精度,保证TD处理的质量。
3 TD处理的优点
(1)TD处理后的汽车模具表面具有高硬度、低摩
擦系数。
表 1是从实验资料中摘录的几种不同表面处理
工艺的性能对比,从表 1中可以看出:TD同 CVD(化
学气相沉积法)、PVD(物理气相沉积法)的硬度、摩擦
基体
TD覆层
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系数基本接近,远高于传统的渗碳、渗氮工艺,但PVD
因膜层与基体的结合力较差,难以发挥其优势,CVD
排出物污染环境,有害健康外,工艺比较难控制。
(2)TD处理的覆层是冶金结合,有优异的抗咬
合、抗拉伤性能。
从国内的一些研究机构对T10钢的SEM照片、及
利用X射线的XRD资料证实:覆层均由VC或V4C3组成,
是冶金结合而不是一般的物理结合。目前,国外大量
使用TD处理来解决了汽车模具中的拉伤问题。
(3)TD处理后汽车模具的寿命提高几倍,甚至几
十倍。
从国内耐磨损实验对Cr12MoV模具钢磨损失重
数据对比分析资料的数据来看,经TD处理的试件是
没经TD处理的试件的45倍。目前,大量的资料也证
实,TD处理最显著的特点之一是大大提高模具的使
用寿命(少则数倍,多则百倍)。
(4)TD处理后汽车模具的抗腐蚀性、抗氧化性也
大幅度提高。
从实验数据来看,经 TD处理的工件在400℃以
内的温度范围内具有很强的抗氧化性。
4 TD处理对汽车模具的要求
(1)对汽车模具材料的要求。
TD处理的原理是零件材料中的固溶的碳原子作
长程扩散形成碳化物层,因此对零件材料的含碳量有
基本要求,当零件材料的含碳量低于 0.3%时,不适合
作TD处理,从国内外成熟的技术来看,SKD11、DC-
53、Cr-12、Cr12MoV、T10等高碳钢及高碳合金工具钢
适合作TD处理。另外,材料组织结构不均的零件,作
TD处理时会变形、开裂,一般重新修模补焊的零件在
焊缝处会出现开裂。
由于TD处理后的零件要作淬火、回火处理,作
TD处理的零件含碳量会有所下降,影响零件材料的
淬透性,因此,作TD处理的零件材料淬透性要求良好。
(2)对汽车模具表面的要求。
TD处理形成的碳化物层与基体的结合力虽然比
其他的表面强化处理方法强,但当基体表面有开口缺
陷时,也极易发生剥落;另外表面过于粗糙,除了隐藏
缺陷外,TD处理后因硬度过高而大大增加打磨的时
间。TD处理对零件表面的粗糙度影响很小,一般实心
零件只有几微米的变化(空心零件的变化比实心零件
稍大),对要求不是很高的汽车模具,TD处理后可以不
用抛光打磨。
对已作过其他表面处理的零件(如:渗碳、镀硬
铬、化学镀、各种气相沉积镀层Ti-C等),都需先去除
表面处理层后才能在进行TD处理。
(3)对汽车模具尺寸的要求。
受TD处理设备和成本的限制,目前TD处理零
件的尺寸不能太大,国内大部分TD处理厂只能加工
500mm×650㎜以内的零件。
5 限制TD处理技术在汽车模具上应用的原
因分析
TD处理目前在我国汽车模具中应用不广的原因:
除了国内汽车模具厂家对 TD处理技术了解不多,国
内TD处理厂家较少外,还有以下几方面的原因。
(1)目前,国内汽车厂家的单品产量不大,模具寿
命要求基本能满足生产,如果模具不能满足大批量生
产的要求,需花费很多时间修模时,大幅度提高模具
寿命的TD处理技术就会被汽车厂家所重视。
(2)目前TD处理的成本相对还比较高,从现在市
场上的价格来看,每公斤超过100元的价格使模具商
增加不少生产成本,模具厂家为了降低成本会采用其
他的方法。
(3)目前国内生产的车型大部分是中低档车,汽车
厂家对冲压零件的拉伤、毛刺等不影响外观和装配的
缺陷放宽检验
标准
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也是影响TD处理推广的原因之一。
6 结束语
随着我国汽车市场的不断扩大,尤其是某个单一品
种数量的增加,TD处理在大幅度提高模具寿命、解决拉
伤问题的优势就会凸显出来。另外,随着汽车厂家对质
量要求的提高,一些厂家需要节省大量的维修时间,减
少维修成本和停机带来的损失时,TD处理技术将会在
汽车模具上逐步推广。目前长丰三菱及国内的少数合资
企业开始将这项技术应用于汽车模具制造与维修中,从
目前长丰汽车部分拉伸模的使用情况来看,效果很好。
7 参考文献
[1] 刘或.日本工模具钢及表面强化工艺现状[J].国外金属热
处理,1996,(4)
[2] 杨裕雄.国外模具表面处理技术概况[J].模具工业,1994,(8)
·模具材料及热处理技术·
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