TD處理技術(shù)在汽車模具上的應(yīng)用及失效分析

一、TD處理技術(shù)簡介

為解決汽車沖壓模具在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的容易拉傷問題,必須對(duì)模具表面進(jìn)行強(qiáng)化處理,其中TD(ThermalDiffusion)表面超硬化處理技術(shù)是很適合和實(shí)用的手段之一。TD處理是將模具置于硼砂熔鹽介質(zhì)中,在一定的處理溫度下,熔鹽中的金屬原子和工件中的碳原子發(fā)生化學(xué)反應(yīng),通過熱擴(kuò)散在工件表面形成一層5~15μm的含釩、鈮、鉻、鈦的金屬碳化層。TD處理技術(shù)工藝穩(wěn)定、環(huán)保、性價(jià)比高,形成的超硬覆層耐磨性好。

二、TD處理技術(shù)的原理

TD處理一般經(jīng)過擴(kuò)散、反應(yīng)和析出3個(gè)過程,碳化物覆層的形成機(jī)理見,主要包括以下幾個(gè)步驟。

a.高溫鹽浴中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成活性釩原子;

b.被處理基體表面層碳原子析出,與吸附在表面的活性釩原子形成VC,開始生成薄碳化物覆層;

c.釩與碳發(fā)生的相對(duì)擴(kuò)散使覆層長大,a和b過程重復(fù)進(jìn)行,使覆層不斷增厚。

三、TD碳化物覆層厚度的影響因素

1.TD處理溫度的影響

有研究表明,在相同的溫度條件下,生成碳化物層化學(xué)反應(yīng)的活化能遠(yuǎn)低于擴(kuò)散活化能,碳原子在覆層中的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)低于碳原子在奧氏體基體中的擴(kuò)散系數(shù),因此TD碳化物覆層成長過程由基體中碳原子的擴(kuò)散過程所控制,覆層生長速率與擴(kuò)散溫度之間呈指數(shù)關(guān)系、與基體中碳原子的擴(kuò)散速率呈線性比例關(guān)系。另外,TD處理溫度很好與基體很佳淬火溫度相同,即TD處理完成后直接進(jìn)行基體淬火硬化,可以避免冷卻后再次加熱淬火的熱能消耗。

2.TD處理時(shí)間的影響

在化學(xué)熱處理中,擴(kuò)散物質(zhì)的流量是不穩(wěn)定的,擴(kuò)散層各點(diǎn)的濃度和濃度梯度都隨時(shí)間而變化,屬于非穩(wěn)態(tài)擴(kuò)散。當(dāng)工件表面為近似平面時(shí),滲入元素在基體金屬表面的濃度可以認(rèn)為基本保持恒定,則擴(kuò)散系數(shù)與擴(kuò)散物質(zhì)濃度無關(guān),即在給定條件下,化學(xué)熱處理的擴(kuò)散層深度與擴(kuò)散時(shí)間的平方根成正比。實(shí)際生產(chǎn)中,處理時(shí)間的長短也直接與生產(chǎn)周期和加工成本有關(guān)。

3.鋼的成分的影響

在相同的TD處理?xiàng)l件下,TD覆層厚度隨基體含碳量的增加而增厚,近似成線性關(guān)系;溫度越高,TD覆層厚度增加越明顯,覆層的成長速度隨基體中固溶體碳含量的增大而增大。

鋼中合金元素對(duì)覆層厚度的影響要區(qū)別看待,有研究觀點(diǎn)認(rèn)為:根據(jù)合金元素對(duì)碳元素親和力的強(qiáng)弱,將合金元素分為非碳化物形成元素(Si、Cu、Ni、Co)、弱碳化物形成元素(Mn、Cr)和強(qiáng)碳化物形成元素(V、Ti、W、Mo)。強(qiáng)碳化物形成元素有阻礙碳擴(kuò)散的作用,使TD覆層形成減緩;非/弱碳化物形成元素阻礙碳擴(kuò)散的作用小,對(duì)TD覆層形成有利。

四、TD覆層的特性

TD處理形成的覆層僅由碳化物組成,該覆層幾乎不降低基體鋼的韌性,覆層中的碳化合物呈現(xiàn)出與基體中的碳化物相同的性能;并且即使TD處理溫度不同、處理基體不同也不會(huì)改變覆層成分。覆層具有較高的硬度、耐熱磨損性、抗熱粘附性和高溫抗氧化性,經(jīng)TD處理的基體強(qiáng)度強(qiáng)度與未處理的基體一致。

五、TD處理對(duì)汽車沖壓模具材料的要求

1.鋼中含碳量

理論上TD處理要求鋼材的碳含量應(yīng)高于0.3%,但這里沒有考慮鋼中強(qiáng)碳化物形成元素對(duì)含碳量的影響。強(qiáng)碳化物形成元素將碳原子固定下來,不利于碳原子向材料表面擴(kuò)散,因此適合TD處理的基材是高碳鋼及含碳量較高的合金鋼,常見的汽車沖壓模具材料有Cr12MoV、SKD11、1.2379、1.2382等,含碳量均在1.5%左右,都符合TD處理要求。

2.鋼的淬火溫度

TD處理溫度為900~1000℃,通常淬火溫度為900℃以上的材料比較適于進(jìn)行TD處理。淬火溫度過低的材料進(jìn)行TD處理,TD的加熱過程可能會(huì)損壞鋼的基體組織形態(tài),即使獲得了TD覆層,也會(huì)因基體達(dá)不到機(jī)械強(qiáng)度要求而無法使用。

3.基體表層質(zhì)量

3.1表面粗糙度

一般使用負(fù)荷越高,表面粗糙度要求也應(yīng)越高。TD處理前的拋光是確保覆層很佳性能非常關(guān)鍵的一步,一個(gè)拋光良好的表面能提供TD覆層和基材之間更好地粘合。TD覆層太薄(8~10μm)很難“填補(bǔ)”或“覆蓋”劃痕、加工痕跡或磨損缺陷,因此,TD處理前的表面粗糙度等同于TD處理后的表面粗糙度;另外,微粗糙的表面覆上硬度極高的TD層,使模具表面可能更像銼刀 ,會(huì)給使用帶來更大的危害。

3.2表層微觀組織與成分

a.基體表層為氮化層。除一些很特殊的氮化外,在絕大多數(shù)的氮化表面很難形成有良好附著力的TD覆層。如果產(chǎn)品經(jīng)過氮化處理,必須去除滲氮層才能進(jìn)行TD處理。

b.基體表層為滲碳層。滲碳處理改變了碳的分布狀態(tài),使TD處理變得復(fù)雜且不可控,也要盡量避免。

c.基體表層為脫碳層。脫碳直接影響TD覆層的結(jié)合力和硬度,甚至無法形成TD覆層。

d.鍍鉻、鍍鈦等其它表面處理。由于鍍層阻隔了碳元素的擴(kuò)散,因此一般有鍍層的表面都難以直接形成TD覆層。

4.基體機(jī)械性能

研究表明:TD處理無法解決基體沖壓過程中出現(xiàn)的金屬疲勞問題,在交變載荷和多次非塑性變形疊加的情況下,TD覆層會(huì)先于基體產(chǎn)生裂紋,然后基體產(chǎn)生疲勞裂紋,進(jìn)而覆層發(fā)生剝離(圖4);進(jìn)行TD處理的模具基體硬度一般要達(dá)到58~62HRC,以提高基體的抗疲勞性能。

六、TD覆層的失效和改進(jìn)

1.拉延模具

TD覆層因過熱失效。有試驗(yàn)研究表明,TD覆層在高溫(500℃以上)情況下開始出現(xiàn)氧化現(xiàn)象,碳化釩(VC)覆層與氧結(jié)合生成較低硬度的釩氧化物,表面光潔度隨之下降,粘著磨損開始產(chǎn)生