今天我們來講講TD覆層處理：
TD工藝是熱擴(kuò)散法碳化物覆層處理（thermal diffusion carbide coating process）的簡(jiǎn)稱。該工藝由日本豐田中央研究所于70年代首先研制成功并申請(qǐng)專利，簡(jiǎn)稱TD處理。我國(guó)也稱作熔鹽滲金屬，其原理是將工件置于熔融硼砂混合物中，通過高溫?cái)U(kuò)散作用于工件表面形成金屬碳化物覆層，該碳化物覆層可以是釩、鈮、鉻等元素的碳化物，也可以是其復(fù)合碳化物，目前應(yīng)用最廣泛的是碳化釩覆層。碳化釩覆層的主要特點(diǎn)是;
(1) 覆層硬度高，可達(dá)2800~3200HV，遠(yuǎn)高于滲氮和鍍硬鉻（見表1），具有良好的表面耐磨、抗拉傷、耐腐蝕等性能。
2) TD覆層是通過擴(kuò)散形成的，覆層與基體具有冶金結(jié)合，覆層與基體的結(jié)合力較鍍硬鉻和PVD或PCVD的鍍層（如鍍鈦層）高得多，使用中不會(huì)脫落，這對(duì)在成形模上的應(yīng)用極其重要。
大量的實(shí)踐證明，TD覆層處理是目前避免沖壓成形零件與模具拉傷問題經(jīng)濟(jì)而最有效的方法之一，并可提高模具壽命數(shù)倍至數(shù)十倍，極具使用價(jià)值。
TD覆層處理工藝從80年代開始陸續(xù)由日本引入世界上許多國(guó)家，由于各國(guó)的國(guó)情不同，有些國(guó)家用的很成功，也有些國(guó)家應(yīng)用失敗。該類工藝在日本、美國(guó)、韓國(guó)等國(guó)都已得到了廣泛的應(yīng)用。國(guó)內(nèi)70年代即已開始研究此工藝，到目前已有數(shù)十家單位對(duì)該工藝進(jìn)行過研究，發(fā)表文章數(shù)百篇，專利數(shù)項(xiàng)。實(shí)際上此工藝我國(guó)在80年代中期就開始起草了工藝標(biāo)準(zhǔn)，即：JB/T4218-1994硼砂熔鹽滲金屬，該標(biāo)準(zhǔn)于1994年10月25日批準(zhǔn)。但這些研究成果大多沒有經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間生產(chǎn)實(shí)踐的考驗(yàn)，應(yīng)用中總是存在這樣或那樣的問題，所以從70年代至90年代，盡管研究的人很多，但沒有一家專業(yè)從事該工藝加工的廠家。
筆者從1991年開始該工藝的研究，經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用探索，從1997年開始成功應(yīng)用到各類模具上，并于2001年開始在國(guó)內(nèi)成立了專業(yè)從事該工藝加工業(yè)務(wù)的公司。多年來，已為數(shù)百家企業(yè)提供了TD覆層處理加工服務(wù)，并成功應(yīng)用到汽車、家電、五金、制管、冶金等行業(yè)的拉伸、彎曲、翻邊、輥壓成形、冷鐓、沖裁、粉末冶金等類模具和一些零部件上，很大程度解決了工件表面拉傷問題，大幅提高模具工作零件的使用壽命，取得了優(yōu)異的使用效果，也積累了豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。
以下介紹TD覆層處理工藝在汽車配件沖壓成形模上的應(yīng)用及有關(guān)注意事項(xiàng)。
2 TD覆層處理工藝在汽車模具上的應(yīng)用
2.1 汽車沖壓成形模的拉傷及其解決方法
每輛汽車都含有大量的沖壓件，沖壓件由模具沖壓成形。工件在拉深、彎曲、翻邊、輥壓等成形過程中，很容易造成工件表面的拉傷。汽車底盤、梁類零件往往由較厚的鋼板制造，出于安全和節(jié)能的考慮，越來越多地使用高強(qiáng)度鋼板，無論厚板還是高強(qiáng)度鋼板，其沖壓或輥壓成形的模具都要承受極高的成形壓力，工件表面和模具表面拉傷嚴(yán)重，此時(shí)如繼續(xù)生產(chǎn)，模具與工件表面質(zhì)量進(jìn)一步惡化，工件可能會(huì)出現(xiàn)拉裂。解決的方法通常是停機(jī)對(duì)模具表面進(jìn)行修磨、拋光，如此反復(fù)修磨使模具尺寸發(fā)生變化。拉傷問題的出現(xiàn)會(huì)帶來以下問題：難以滿足批量連續(xù)生產(chǎn)的要求，降低生產(chǎn)效率，增加勞動(dòng)強(qiáng)度，降低模具壽命和被加工產(chǎn)品尺寸的一致性，影響了產(chǎn)品的外觀，降低產(chǎn)品質(zhì)量。
實(shí)踐表明，在沒有采取其他措施的情況下，由鋼鐵材料制作的模具用于鋼鐵件的成形，當(dāng)成形力較大時(shí)，無論模具如何熱處理或淬火硬度有多高，拉傷問題都無法避免。
研究表明，工件成形過程中表面出現(xiàn)拉傷的實(shí)質(zhì)是工件和模具零件表面局部出現(xiàn)粘著（或焊合、咬合）的結(jié)果[1] 。要解決或改善這一問題有多種方法，基本原則是必須改變模具與被加工零件這對(duì)摩擦副的性質(zhì)，使摩擦副由不易粘著的材料代替。具體方法可以是：①改變模具材料或?qū)δ＞哌M(jìn)行表面處理；②對(duì)被加工零件的原料進(jìn)行表面處理（如磷化）；③在模具與被加工零件之間加一層其他物質(zhì)，使被加工零件與模具分離（如加潤(rùn)滑劑或加一層PVC之類的材料）。以上方法在不同的場(chǎng)合下都有應(yīng)用，一般情況下，經(jīng)濟(jì)而有效的方法是從模具方面入手，以下就是模具材料和幾種常見的表面處理方法在解決此類問題時(shí)的一些應(yīng)用作些簡(jiǎn)要介紹。
模具材料方面，硬質(zhì)合金使大家公認(rèn)的耐磨抗咬合材料，在模具不大而成形壓力很大，而且形狀較簡(jiǎn)單時(shí)采用此類材料在不少場(chǎng)合優(yōu)勢(shì)很大。但該材料加工困難，脆性也很大，成本高，燒制大型硬質(zhì)合金困難，大型模具難以制造，所以大型汽車零件模具很難采用該材料。
用銅基合金做模具零件也能解決表面拉傷問題，存在的問題是因其強(qiáng)度低，耐磨性較差，很難滿足大批量生產(chǎn)要求，另外在一些變形率較大的場(chǎng)合，拉傷問題也會(huì)出現(xiàn)。
模具表面處理方面，目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用較多，比較熟悉的是各類滲氮和鍍硬鉻工藝，這兩種表面處理方法的抗拉傷性能較好，但表面硬化效果有限，僅有1000HV左右，表面硬化層磨損后拉傷又會(huì)出現(xiàn)。此外，鍍硬鉻的鍍層與模具母材機(jī)械結(jié)合，在成形壓力較大時(shí)容易脫落，鍍層一旦脫落抗拉傷性能也就失去。所以滲氮和鍍硬鉻在汽車覆蓋件模具上雖然有應(yīng)用，但其效果有限。PVD或PCVD的鍍層（如鍍鈦層）也具有良好的抗拉傷性能，由于鍍層硬度可以高達(dá)2000~3000HV，甚至更高，因而也具有優(yōu)異的耐磨性能，只是鍍層與母材結(jié)合力較差，在拉深類模具上使用時(shí)很容易使鍍層脫落，發(fā)揮不出其抗拉傷和耐磨效果，有時(shí)根本就無效果，這類工藝在成形模具上應(yīng)用也很有限。
實(shí)踐已證明，目前最有效而經(jīng)濟(jì)的解決成形模具表面拉傷問題的表面處理方法是高溫化學(xué)氣相沉積（即高溫CVD）和TD覆層處理，這兩種方法在不同國(guó)家不同場(chǎng)合各有偏重，相比而言前者成本較高，環(huán)保壓力較大。目前日、韓、美主要應(yīng)用的是TD覆層處理，我國(guó)（包括臺(tái)灣地區(qū)）對(duì)于解決模具表面拉傷問題和提高模具壽命的表面處理工藝缺乏必要的了解，近年來隨著外資企業(yè)的不斷涌入，特別是汽車工業(yè)的高速發(fā)展，TD覆層處理工藝及其應(yīng)用價(jià)值將越來越多的被人們所認(rèn)識(shí)。
2.2 TD覆層處理應(yīng)用實(shí)例
（1）圖1所示為汽車配件模具鑲塊，其加工的是3.2mm厚、強(qiáng)度為420MPa的高強(qiáng)度鋼板。該模具在沒有進(jìn)行TD覆層處理以前加工的工件表面出現(xiàn)嚴(yán)重拉傷，導(dǎo)致生產(chǎn)效率降低，工件的表面質(zhì)量惡化，降低了模具壽命。通過對(duì)模具相關(guān)零件進(jìn)行TD覆層處理以后，可解決工件表面拉傷問題，并可以提高模具壽命20~30萬次。
（2）圖2所示為車輪鋼圈輥輪，成形工藝是將鋼鍛坯輥壓成形。輥壓成形模的相關(guān)零件不進(jìn)行表面處理很快就會(huì)出現(xiàn)拉傷并咬死，無法正常生產(chǎn)。原來該模具一般采用鹽浴滲氮處理（QPQ處理），壽命一般僅能生產(chǎn)不到1000件產(chǎn)品，又需重新拆下進(jìn)行QPQ處理，生產(chǎn)過程中還需加入大量的機(jī)油等潤(rùn)滑劑，操作環(huán)境惡劣。后來采用TD覆層處理工藝，模具壽命提高至8萬件以上，較原經(jīng)QPQ處理的模具壽命提高近百倍，大大提高了生產(chǎn)效率和降低了生產(chǎn)成本。采用該工藝處理的模具對(duì)潤(rùn)滑條件可以放寬，勞動(dòng)條件大為改善。
3.TD覆層處理應(yīng)用注意事項(xiàng)
TD覆層處理溫度是850~1050℃，是一種高溫處理過程，處理過程中必然會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。對(duì)于鋼鐵材料而言一般會(huì)有相變過程，相變的結(jié)果會(huì)形成相變應(yīng)力和工件比容的變化。熱應(yīng)力、相變應(yīng)力、比容的變化會(huì)使工件產(chǎn)生變形甚至開裂。而一般TD覆層處理是模具的最終加工工序，處理后不容許再加工，所以TD覆層處理工藝能否成功應(yīng)用的關(guān)鍵是:①形成合格的表面覆層；②盡量減小工件變形，并杜絕開裂現(xiàn)象。根據(jù)十余年從事該工藝的研究和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，要用好該工藝除需要專業(yè)的指導(dǎo)以外還必須特別注意以下問題：
（1） 材料要求。采用熱處理微變形鋼，一般推薦SKD11、D2、DC53、Cr12MoV等高鉻模具鋼，實(shí)際上目前該工藝在模具上應(yīng)用最多的也是此類材料。必須說明的是，要是用國(guó)產(chǎn)的鋼材，建議用品質(zhì)優(yōu)良的鋼材，否則容易出現(xiàn)變形超差問題。
（2） 冷熱加工工藝。工件的熱處理工藝及其冷熱加工內(nèi)應(yīng)力對(duì)TD覆層處理加工過程變形量有較大影響，這往往需要各方面相互溝通，才能使變形量減小。
（3） 設(shè)計(jì)方面。汽車沖模外形尺寸往往比較大，出于制造成本、材料供應(yīng)難易及冷熱加工工藝限制等方面考慮，要進(jìn)行TD覆層處理的大型模具零件一般都做成鑲塊結(jié)構(gòu)，盡量減少工作部位的分型面，以減少TD覆層處理后的調(diào)模工作量。另外工件截面的急劇變化，內(nèi)部有尖角、細(xì)長(zhǎng)或薄板類鋼件，熱處理過程中工件容易變形甚至開裂，所以要進(jìn)行TD覆層處理的工件設(shè)計(jì)時(shí)要盡量避免以上結(jié)構(gòu)。
（4） TD覆層處理的工件如已做過其他表面處理，如各類滲氮、滲硼、鍍硬鉻、PVD沉積等，需將原表面處理徹底清除，否則會(huì)影響TD覆層表面質(zhì)量。已做過TD覆層處理的工件，一般只需將損傷部位修復(fù)即可再進(jìn)行TD覆層處理。
TD覆層處理時(shí)間有多長(zhǎng)？ |
答：一般情況兩天左右。 |
TD覆層處理有多厚？ |
答：通常5-20μm。 |
TD覆層處理變形情況如何？ |
答：會(huì)有少量變形，但硬質(zhì)合金除外。所以我們要求客戶能提供圖紙，并將有關(guān)熱處理情況及工件的精度及公差范圍告訴我們，我們也可以為您提供有關(guān)加工方面的建議，以便更好滿足客戶的要求 |
哪些材料可以用于TD覆層處理？ |
答：原則上含碳量高于0.3%的各類鋼及硬質(zhì)合金或其它含碳氮材料都可以，一般推薦中高合金鋼和硬質(zhì)合金，如：Cr12，Cr12MoV，SKD11，D2，Cr5MoV，A2等。 |
可否重復(fù)處理？ |
答：如TD覆層局部已磨損或意外事故覆層被破壞只需將破損處修復(fù),即可再進(jìn)行TD覆層處理,重復(fù)處理次數(shù)與工件材料有關(guān),較好的材料可以重復(fù)處理7-8次,甚至更多。 |
已做過其它表面處理的工件可否再進(jìn)行TD覆層處理？ |
答：除TD覆層處理以外,已做過的其它表面處理如:滲氮,滲硼,滲硫,鍍硬鉻,化學(xué)鍍Ni-P,各種氣相沉積鍍層TiN,TiC,TiCN都需先去除才可以再進(jìn)行TD覆層處理。 |
TD覆層處理主要性能指標(biāo)及特點(diǎn) |
1）TD覆層表面硬度：HV2800-3200，具有極高的耐磨，抗拉傷性能。 |
TD覆層處理組織結(jié)構(gòu)
TD覆層處理工藝過程 |
不同的工件材料及不同的使用場(chǎng)合TD覆層處理的工藝有一些差別，但其基本過程都是將預(yù)制好的工件放入硼砂混合物中，在850-1050℃的溫度下保溫2-12小時(shí)，在工件表面形成覆層后，根據(jù)工件的材料或要求選擇適當(dāng)方式冷卻（一般是淬火過程，也有不少例外），并進(jìn)行一些相應(yīng)的后續(xù)處理（如回火，清理，尺寸調(diào)整，拋光等）。 |
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