了解TD处理技术的关键应用

TD处理是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行表面强化处理技术的总称。过去有些文献将TD处理称为渗金属处理，而实际应用最为广泛的是熔化浸镀法（或称熔盐浸渍法、盐浴沉积法）在模具表面形成VC、NbC、Cr₂₃C₆-Cr₇C₃等碳化物超硬层的方法。经TD法处理的模具表面形成5～15μm厚的VC等薄膜，可显著提高模具表面的硬度、耐磨性、抗粘着性和耐蚀性等，从而大大提高了模具的使用寿命。

一般来说，采用TD处理与采用CVD、PVD等方法进行的表面硬化处理效果相近似，但由于TD处理法具有设备简单、操作方便、成本低廉等优点，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。

目前，TD处理已在各类冲模、锻模、拉丝模等中得到了应用。但是，由于TD处理的温度高达1000℃，所以材质受到限制。同时，因变形较大，不适合高精度模具，而且VC薄膜的耐热、耐氧化、耐烧结性都比氮化物差。

1.设备及盐浴成分

TD处理设备非常简单，即普通外热式坩埚盐浴炉。所用盐浴成分（质量分数）70%～90%是硼砂（Na₂B₄O₇），根据涂层的组织成分要求，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V₂O₃粉末，涂覆NbC时，加入Fe-Nb合金粉末或Nb₂O₅粉末，涂覆Cr₂₃C₆-Cr₇C₃则加入Fe-Cr合金粉末或Cr₂O₃粉末。若盐浴成分中含有氧化物（粉末），则需添加Al、Ca、Ti、Fe-Ti、Fe-Al等物质以提高并保持盐浴活性，使活性金属原子得以在盐浴中被还原出来。

2.TD处理工艺

将硼砂放入一个耐热钢制的坩埚中加热熔化至800～1200℃，然后加入组成盐浴的其他物质，如碳化物形成粉末钛、钡、铌、铬，再将工件浸入盐浴中保温1～10h，加入元素就会扩散至工作表面并与钢中的碳起反应，形成由碳化物构成的表面涂层。浸渍时间长短取决于工艺温度及涂覆层厚度要求。

TD涂层厚度主要取决于盐浴温度、处理时间以及基材的化学成分。TD涂层厚度与盐浴温度、处理时间的关系可用下式表示：

D²=Ate^-Q/RT

式中，D为涂层厚度（单位为mm）；t为浸渍时间（单位为s）；T为工艺温度（单位为K）；Q为碳化物层的扩散激活能（约为167～209kJ/mol）；R为气体常数（8.29J/mol）；A为由基材含碳量等因素决定的常数，一般在10^-2～10^-5之间。

对于某一工件，其含碳量及化学成分是一定的，当工艺温度一定时，可以根据设计的涂覆层厚度要求，根据上述公式关系，估算出所需要的处理时间。

TD处理温度一般为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，工艺温度选择显得非常关键。TD处理温度应与基材的淬火温度相一致。因为TD处理后必须经淬火、回火处理，以获得必要的基体硬度。温度选择过高，则会在TD处理过程导致基体组织的粗化。如果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，还会增加变形开裂倾向。而当处理温度选择过低时，则在TD处理过程中不能完成奥氏体化，从而不能直接淬火。

3.TD涂层的质量控制

（1）基体材料 基体材料的选择应注意以下方面：(www.xing528.com)

1）硬度。经TD处理的模具，其基体的作用是抵抗工作中的表面压力而支持涂层刚度的需要，因此要选用在使用中不易发生变形的、有一定热处理制度的钢种。

在表面压力较低的使用条件下，基体的硬度几乎不成为损害寿命的原因，应以原使用过的钢种作为其基体材料。如果基体材料的性能高于模具寿命所需要的性能，则可把基体材料换成廉价而容易加工的钢材，以降低成本。

相反，在模具工作零件表面工作压力较高的情况下，应选择能获得高硬度的钢种作为基体材料。一般来说，选择原使用过的钢作为基体材料能满足使用要求。

2）韧性。模具的TD法处理和氮化处理一样，表面强化处理并不降低基体的韧性。由于表面碳化物层的存在而提高了耐磨性和抗热粘结性。对于在使用中易发生折断或崩坏的模具工作零件，应尽可能选择韧性较高的钢材作为基体材料，并选择能获得高韧性的热处理工艺。必要时，可采用韧性较高的热模具钢作为基体材料，进行碳化物涂覆，制作冷冲模具的工作零件。

3）淬透性。为减少TD处理引起形状、尺寸的变化，应当选择淬透性良好的模具钢作为基体材料。

（2）防止变形 由于TD法处理温度接近于钢的淬火温度，对于精度要求严格的工件，要特别注意防止变形。可以采取适当的措施使变形控制到最小值，可采取的措施有多种，与基体处理条件有关的措施有以下几点：

1）选取淬透性良好的钢种作为基体材料。

2）当处理过程中要求基体材料必须淬火硬化时，特别对于精密的工件，要预先进行淬火、回火。采用一般的淬火、回火工艺时，应当选用残留奥氏体较多的钢种。

3）采用低温处理、高温回火来调整残留奥氏体量，控制工件尺寸。选择淬火状态下含有大量残留奥氏体，而在较宽的回火范围内具有高硬度的钢。

4.TD涂层的性能

TD处理获得碳化物层的硬度明显高于淬火、镀铬或渗氮的硬度。这是由于VC和TiC等碳化物的硬度很高的缘故，VC和TiC的硬度为2980～3800HV，NbC约为2400HV。VC、Cr-C、NbC即使在800℃还有800HV以上的硬度，经高温加热处理后，其室温硬度也不降低。而且VC、NbC、TiC的耐磨性也比氮化、渗硼、镀铬等其他表面处理层的耐磨性优越，而与硬质合金的耐磨性相同或更好。

VC、NbC在500℃大气中几乎不氧化，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为主体的碳化物涂层即使加热到900℃也只有稍许氧化，显示出优越的抗氧化性。

已涂覆VC、NbC、Cr-C的钢对于盐酸、硫酸、硝酸、磷酸、氢氧化钠有良好的耐蚀性。在有高耐蚀性的要求时，涂层中应绝对避免产生微孔、微裂纹等缺陷。