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汽车模具制作中表面处理工艺的作用

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。

　　2TD处理的工艺TD处理技术的工艺流程为：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1TD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：D 2＝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。

　　3TD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V 4 C 3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。

　　4TD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。