TA的每日心情 | 郁闷
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发表于 2015-1-27 16:18:24
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我来告诉你：
TD处理技术
TD处理（Toyota Diffusion Coating Process）技术是由日本丰田中央研究所开发的,是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行表面强化（硬化）处理技术的总称。过去的一些文献将TD处理称为渗金属处理。实际应用最为广泛的是熔盐浸镀法（或称熔盐浸渍法、盐浴沉积法）在模具表面形成VC、NbC、Cr23C6-Cr7C3等碳化物超硬“涂层”（实为渗层）。由于这些碳化物具有很高的硬度，所以经TD法处理的模具可获得特别优异的力学性能。一般来说，采用TD处理与采用CVD（化学气相沉积）、PVD（物理气相沉积）、PCVD（等离子化学气相沉积）等方法进行的表面硬化处理效果相近似，但由于TD法设备简单、操作简便、成本低廉，所以是一种很有发展前途的表面强化处理技术。TD处理在国外应用已相当普遍，但在国内报道并不多见。
设备及盐浴成分
TD处理设备多为坩埚盐浴炉
盐浴成分：耐热坩埚中的盐浴，70-90%是硼砂（Na2B4O7），根据涂覆层的组织成分要求，再加入能形成不同碳化物的物质，如：涂覆VC时，加入Fe-V合金粉末或V2O5粉末。
无水硼砂的熔点为740℃，其分解温度高达1573℃，在高温状态非常稳定。熔融硼砂具有溶解金属氧化物的能力，使工件表面保持洁净，有利于工件表面吸附活性金属原子。硼砂盐浴中的添加剂是V、Nb、Cr及其Fe合金或氧化物粉末。目前，工具钢多采用VC涂层。如需涂覆NbC、Cr—C，则在硼砂中加入Fe-Nb、Fe-Cr合金粉末Nb2O5、Cr2O3氧化物粉末。添加剂的数量要适当，既要满足渗入元素的浓度和扩散速度要求，又要使盐浴具有较好的流动性。如盐浴组成中含有金属氧化物，则需添加Al、Ca、Ti、Fe- Ti、Fe-Al等物质，以提高并保持盐浴的活性，使活性金属原子得以在盐浴中被还原出来。
工艺概述
将硼砂放入坩埚中加热熔化并升温至800～1200℃，然后加入组成盐浴的其它物质，再将工件浸入盐浴中保温1～10h（浸渍时间长短取决于工艺温度及“涂覆”层厚度要求）工件表面就会形成由碳化物构成的表面“涂层”。
碳化物的形成机理
碳化物的形成过程是硼砂盐浴中活性金属原子与工件（基材）本身的碳原子相结合的过程，这个过程包括以下四个步骤：
（1）碳化物形成元素的合金或氧化物粉末不断向盐浴中溶解，并被还原为活性金属原子；
（2）活性金属原子在盐浴中向工件表面扩散；
（3）金属原子与工作表面的碳原子结合形成碳化物；
（4）工件内部的碳原子不断向表面扩散，与金属原子结合，碳化物层不断增厚。
由此可见，TD处理过程中的V、Nb、Cr等碳化物形成元素与C结合，在工件表面形成VC、NbC、Cr-C等，其中的V、Nb、Cr来自盐浴中所添加的金属合金或氧化物粉末，而碳化物中的C则来自基材在工艺温度下固溶于奥氏体或铁素体中的碳，碳化物层的形成是靠盐浴中的活性金属原子和碳原子的双向扩散完成的，而碳原子在整个扩散过程，均在基材（固体）内进行。因此，熔盐浸镀法是一种利用扩散规律进行表面强化的处理方法，“涂覆”层的形成机理与PVD、CVD有本质不同。由于碳化物中的C来自工件（基材）本身，因此要求基材的含碳量在0.4%以上，一般含碳量较高的工具钢最适宜作TD处理的基材。
TD处理的工艺参数
影响TD涂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，其关系为D2＝Ate-Q/RT，式中D为“涂覆”层厚度（mm）；t为浸渍时间（s）；T为工艺温度（k）；Q为碳化物层的扩散激活能（约为167.47～209.34KJ/mol）；R为气体常数（8.29J/mol．k）；A为由基材含碳量等因素决定的常数，一般在10-3～10-2之间；e为自然常数。根据上述函数关系，对某一工件（基材），其含碳量及化学成分是一定的，当工艺温度一定时，根据设计的“涂覆”层厚度要求，时间便可确定。
图9-5描述了一般冷冲压模具和冷锻模具为形成4-7μm的VC层，其工艺温度与时间的关系。TD处理的特点是碳化物层厚度随处理时间的变化规律符合抛物线（菲克第二定律）规律。
如前所述，TD处理温度一般在800～1200℃，这个选择范围是比较宽的，而温度的高低又直接影响到“涂覆”层形成的速率，因此，工艺温度非常关键，而目前作者所见的报道均未对此作出介绍。笔者认为：TD处理温度应与基材的最佳淬火温度相一致。因为TD处理后须经淬火、回火处理，以获取必要的基体硬度。温度选择过高，则会在TD 处理过程导致基体组织的粗化，这种粗化的组织直接进行淬火，不仅降低了基体的力学性能，还会加剧变形开裂趋势。而当处理温度选择过低时，则在TD处理过程不能完成奥氏体化，从而不能直接淬火，这是不经济的。
TD处理“涂层”的力学性能
硬度
TD处理获得的碳化物层硬度明显高于淬火硬度、镀硬铬或氮化层硬度。VC的硬度高达3200～3800HV；NbC硬度可达2500～3100HV，Cr23C6+Cr7C3达1400～2000HV，图9-6是TD处理后工件硬度与其他表面强化处理后表层硬度的比较。
耐磨性
TD“涂覆”VC、NbC、TiC的耐磨性显著高于氮化、渗硼、镀铬、放电硬化等表面。
抗热粘结性
TD“涂覆”VC、NbC、TiC的表面与未做“涂覆”处理或做其他表面处理的表面相比，均显示了优秀的抗热粘结性能。这对于改善和提高多种不同工作条件下的模具抗热粘结性能无疑是重要和有意义的。
抗氧化性、耐蚀性
抗氧化性的好坏因所涂覆的碳化物种类不同而不同，VC、NbC在500℃的空气介质中几乎不氧化，但若在600℃保温1h，则有数微米厚的碳化物完全被氧化。另一方面，Cr7C3或Cr23C6等以Cr为主体的碳化物层即使被加热到900℃也只稍许氧化，显示出了优越的抗氧化性。涂覆VC、NbC、Cr-C的钢对于盐酸、硫酸、磷酸、苛性钠具有良好的耐蚀性。在有高耐蚀性要求时，涂层中应绝对避免产生微孔、微裂纹或混入微小异物。
抗剥离性
用φ6.4mm的钢球反复撞击TD处理试样的同一位置点，研究碳化物层中出现裂纹或剥离的情形。经TD处理（熔盐浸镀）的VC、NbC及Cr-C涂覆层即使撞击20万次也不出现裂纹或剥离，经粉末法TD处理TiC层及CVD或PVD处理的TiC层，撞击5～10万次即观察到涂层的剥离。
另外，根据其它试验得到了TD处理的VC层比NbC层的抗剥离性还要优越的结果，应用实例也证实了这种倾向。也就是说，Cm的粘着性随碳化物种类的不同而有一定差别。
韧度
对经TD处理涂覆碳化物后的材料进行艾氏冲击试验或用带缺口试样进行三点弯曲试验，结果表明：其韧度与淬火、回火材料大致处于同一水平。这一事实表明，在考虑做抗磨损涂覆又需要韧度的基体材料时，以选择在淬火、回火状态下具有良好韧度的材质为好（而且能进行使其韧度提高的热处理）。
疲劳强度
疲劳强度与许多因素（材料本身的抗拉强度、工作表面粗糙度、工件表面形状系数等）有关，但做为提高疲劳强度的基本方法还是提高钢的硬度（抗拉强度）。然而，过分提高强、硬度必然以牺牲韧度为代价。因此，在考虑提高疲劳强度的措施时，应注意到疲劳强度决定于表面层状况的事实。且应注意工业生产中的很多工件在服役条件下所要求的某些力学性能往往集中在工作面表层。因此，在多数情况下，只对工件进行表面强化处理，尤其选用强度较高的钢材时其效果更加
显著。TD 处理和其它表面硬化方法一样，能显著提高工件表面的疲劳强度。其原因不单是因为表层得到硬化，还在于这种处理方法可在工件表层部分形成残余压应力。
TD 处理的优越性
TD处理可显著提高工件的耐磨性和抗粘附性以及良好的耐蚀性和抗氧化性，其处理后所具有的综合力学性能超过了其他任何表面处理方法。用TD法可使冷作模具寿命提高数倍至数十倍，一般来说，这样大幅度提高模具寿命是令人难以想象的。
TD法与其他表面强化方法相比较，除设备简单、操作简便、成本低廉外，还有以下诸多优点：
（1）更换盐浴成分（或连同坩埚）就可以改变碳化物层种类，可形成不同类型的碳化物或复合碳化物层；
（2）无论工件形貌如何，均能形成均匀的涂覆层，在小孔、槽深处亦不受影响；
（3）涂覆后的表面粗糙度与处理前大致相同，若工件处理前表面光滑，则处理后可直接使用；
（4）盐浴寿命长，不易老化；
（5）工件因长期服役而使碳化物层磨损时可以重新浸镀，重新处理时，不必清除原来遗留的被覆层，新旧涂层结合自然良好。
（6）盐浴主成分高温性能稳定，几乎不产生有害烟尘；
（7）因浸镀后进行淬火处理，且工艺温度范围较宽（800～1200℃），故其基材选择范围极广，含碳量高于0.4%的钢铁材料均可进行有效处理；
（8）形成的碳化物层的组织组成、力学性能不因基材种类和处理条件发生变化而改变，故其使用性能稳定；
（9）TD 处理比渗硼具有更高硬度的碳化物层，故可得到胜过硬质合金的耐磨性。因此，除对金属、土砂、木材等具有耐磨性外，耐蚀性和抗氧化性也非常优异。
TD 处理可用于工具、模具及齿轮、柱塞、缸体、导向装置等耐磨工件，对提高耐磨、耐熔融粘着、耐氧化、耐腐蚀、抗疲劳和耐热性卓有成效。 |
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