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一、TD處理技術簡介

為解決汽車沖壓模具在生產過程中出現的容易拉傷問題, 必須對模具表面進行強化處理, 其中TD (Thermal Diffusion) 表面超硬化處理技術是最適合和實用的手段之一。TD處理是將模具置于硼砂熔鹽介質中, 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生化學反應, 通過熱擴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處理技術工藝穩定、環保、性價比高, 形成的超硬覆層耐磨性好。

二、TD處理技術的原理 TD處理一般經過擴散、反應和析出3個過程, 碳化物覆層的形成機理見圖1, 主要包括以下幾個步驟。

a.高溫鹽浴中發生化學反應生成活性釩原子;

沖壓幫, TD處理技術在汽車模具上的應用及失效分析

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.釩與碳發生的相對擴散使覆層長大, a和b過程重復進行, 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, 生成碳化物層化學反應的活化能遠低于擴散活化能, 碳原子在覆層中的擴散系數遠低于碳原子在奧氏體基體中的擴散系數, 因此TD碳化物覆層成長過程由基體中碳原子的擴散過程所控制, 覆層生長速率與擴散溫度之間呈指數關系、與基體中碳原子的擴散速率呈線性比例關系。另外, TD處理溫度最好與基體最佳淬火溫度相同, 即TD處理完成后直接進行基體淬火硬化, 可以避免冷卻后再次加熱淬火的熱能消耗。 2.TD處理時間的影響 在化學熱處理中, 擴散物質的流量是不穩定的, 擴散層各點的濃度和濃度梯度都隨時間而變化, 屬于非穩態擴散。當工件表面為近似平面時, 滲入元素在基體金屬表面的濃度可以認為基本保持恒定, 則擴散系數與擴散物質濃度無關, 即在給定條件下, 化學熱處理的擴散層深度與擴散時間的平方根成正比。實際生產中, 處理時間的長短也直接與生產周期和加工成本有關。 3.鋼的成分的影響 在相同的TD處理條件下, 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。 鋼中合金元素對覆層厚度的影響要區別看待, 有研究觀點認為:根據合金元素對碳元素親和力的強弱, 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) 和強碳化物形成元素 (V、Ti、W、Mo) 。強碳化物形成元素有阻礙碳擴散的作用, 使TD覆層形成減緩;非/弱碳化物形成元素阻礙碳擴散的作用小, 對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TD處理的基體強度強度與未處理的基體一致。TD覆層橫截面金相照片見圖2。

沖壓幫, TD處理技術在汽車模具上的應用及失效分析

五、TD處理對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高于0.3%, 但這里沒有考慮鋼中強碳化物形成元素對含碳量的影響。強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Cr12Mo V、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900~1 000℃, 通常淬火溫度為900℃以上的材料比較適于進行TD處理。淬火溫度過低的材料進行TD處理, TD的加熱過程可能會損壞鋼的基體組織形態, 即使獲得了TD覆層, 也會因基體達不到機械強度要求而無法使用。 3.基體表層質量 3.1表面粗糙度 一般使用負荷越高, 表面粗糙度要求也應越高。TD處理前的拋光是確保覆層最佳性能非常關鍵的一步, 一個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”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 (圖3) , 會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, 在絕大多數的氮化表面很難形成有良好附著力的TD覆層。如果產品經過氮化處理, 必須去除滲氮層才能進行TD處理。

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b.基體表層為滲碳層。滲碳處理改變了碳的分布狀態, 使TD處理變得復雜且不可控, 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.基體機械性能 研究表明:TD處理無法解決基體沖壓過程中出現的金屬疲勞問題, 在交變載荷和多次非塑性變形疊加的情況下, TD覆層會先于基體產生裂紋, 然后基體產生疲勞裂紋, 進而覆層發生剝離 (圖4) ;進行TD處理的模具基體硬度一般要達到58~62HRC, 以提高基體的抗疲勞性能。

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六、TD覆層的失效和改進 1.拉延模具 TD覆層因過熱失效。有試驗研究表明, TD覆層在高溫 (500℃以上) 情況下開始出現氧化現象, 碳化釩 (VC) 覆層與氧結合生成較低硬度的釩氧化物, 表面光潔度隨之下降, 粘著磨損開始產生, 如圖5所示。

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為保護TD覆層不受損壞, 首先要進行有效的散熱和降溫;其次是減少熱量產生, 調整合理的上、下模間隙, 有利于減少產生熱量;其次, 當模具表面開始發生輕微氧化時, 要及時清理積瘤, 并采用不破壞TD覆層的方法拋光, 以延長TD覆層的使用壽命。

2.沖裁模具 TD處理應用于沖裁刃口時, 經實際生產驗證TD覆層厚度為5~8μm為佳, 太厚的覆層容易導致刃口崩碴。沖裁模具TD覆層的示意圖見圖6, 經實際生產驗證覆層形成過程中產生的微觀“R”角有利于沖裁加工。

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有TD覆層的沖裁刃口磨損失效以粘著磨損為主, 刃口經長期工作后, 頻繁沖壓導致刃口磨損, 覆層開始剝落, 磨損加劇, 甚至導致模具無法正常工作, 和普通沖裁模一樣需要進行刃口修磨。有研究資料[4]表明:徑刃口修磨后的TD沖裁模使用壽命會低于刃口型面有TD覆層的沖裁模, 這是由于刃口修磨后, 微觀“R”角被破壞及刃口型面露出基體材料, 抗磨損能力下降, 改善的辦法是再次TD處理。

七、結束語 TD處理技術覆層硬度高、工藝穩定, 環保, 性價比高, 形成的超硬覆層耐磨性好, 是汽車冷沖壓模具重要的表面強化技術。大量生產案例證明, 目前在汽車板料沖壓加工中, TD處理的優勢是無可替代的, 尤其是高強板、厚板料和深拉伸條件下, 應用TD處理技術解決了模具表面拉傷問題, 大幅度提高了模具的使用壽命, 取得了極大的經濟效益。隨著汽車工業的迅速發展, TD處理在模具上的應用將越來越多。應用TD處理技術應全面考慮產品結構設計、材料、覆層厚度、熱處理/表面處理等各種因素的影響, 以保證TD覆層質量, 使之發揮最佳效果。