TD覆层处理技术在汽车冲压成型模具上的应用3

此文发表于《模具工业》2007年第9期，P62-64TD覆层处理技术及其在汽车冲压成型模具上的应用及有关注意事项长沙特耐金属材料科技有限公司（湖南长沙 410011）彭智虎摘要：本文首先简要介绍了TD覆层处理技术，然后分析了汽车冲压成型类模具表面拉伤问题及其解决方法，结合实例说明了TD覆层处理技术在此类模具上的应用效果，最后还指出了采用该技术的一些注意事项。

一．有关TD覆层处理技术TD覆层处理是热扩散法碳化物覆层处理（Thermal Diffision Carbide Coating Process）的简称，英文简称TD coating。

因该技术由日本丰田中央研究所于七十年代首先研制成功并申请专利，又被称为Toyota Diffusion Process,简称TD Process，即TD处理。

我国也称作熔盐渗金属。

无论其名称如何，其原理都是将工件置于熔融硼砂混合物中，通过高温扩散作用于工件表面形成金属碳化物覆层，该碳化物覆层可以是钒、铌、铬的碳化物，也可以是其复合碳化物，目前应用最广泛的是碳化钒覆层。

碳化钒覆层的主要特点是：1）覆层硬度高，HV可达2800-3200，远高于氮化和镀硬铬，因而具有远高于这些表面处理的耐磨，抗拉伤，耐蚀等性能；表1：几种表面处理及材料的硬度比较2）由于是通过扩散形成的，所以覆层与基体具有冶金结合，覆层与基体的结合力较镀硬铬和PVD或PCVD的镀层如镀钛层高得多，使用中不会脱落，这一点对在成型类模具上的应用极其重要；TD覆层处理的应用主要在两方面，一方面是利用其高耐磨、抗粘结性能，用于根本上解决成形类模具如拉伸，弯曲，翻边，滚压成形，压铸等模具的表面拉伤工件或粘料问题，并大幅提高其寿命；另一方面是利用其高耐磨性能，大幅度提高因各类磨损引起失效的工模具或工件的使用寿命，如冲裁，冷镦，粉末压制等模具，某些刀具，金属线材加工、纺织机械等配件。

TD覆层处理技术从八十年代开始陆续由日本引入世界上许多国家，由于各国的国情不同，有些国家用得很成功，也有些国家应用失败。

该类技术在日本、美国、韩国等国都已得到广泛的应用。

国内七十年代即已开始研究此项技术，到目前已有数十家单位对该技术进行过研究，发表文章数百篇，专利数项，据了解，目前还有一些单位在研究该项技术。

实际上中国早在八十年代中期此项技术就开始起草了技术标准，即：JB/T4218-946硼砂熔盐渗金属，该标准于1994-10-25批准。

但这些研究成果大多没有经过长时间生产实践的考验，应用中总是存在这样或那样的问题，所以从七十年代至九十年代，尽管研究的人很多，但没有一家专业从事该项技术加工的厂家。

笔者从91年开始该项技术的研究工作，经过多年的研究和应用摸索，从97年开始成功应用到各类模具上，并于2001年开始在国内首先成立了专业从事该项技术加工业务的公司。

多年来，已为数百家企业提供了TD覆层处理加工服务，并成功应用到汽车、家电、五金、制管、冶金等行业的引伸（拉伸，拉延）、弯曲、翻边、辊压成型、冷镦、冲裁、粉末冶金等类模具和一些零部件上，或根本上解决工件表面拉伤问题，或大幅提高工件的使用寿命，取得了极优异的使用效果，也积累了丰富的实践经验。

以下主要介绍该技术在汽车配件冲压成型模上的应用及有关注意事项。

二．T D覆层处理技术在汽车冲压成型模具上的应用1. 汽车冲压成型类模具的拉伤问题及其解决方法介绍众所周知，每台汽车都含有大量冲压配件。

冲压件由冲压模具冲压成型。

工件在引伸（拉延，拉伸）、弯曲、翻边、滚压等成型过程中，很容易出现工件表面的拉伤问题。

汽车底盘，梁类零件往往由较厚的钢板制造，另外出于安全和节能的考虑，汽车配件越来越多地使用高强度（高张力）钢板，无论厚料板还是高强度钢板，其冲压或滚压成型的模具使用中都要承受极高的成形应力，工件表面拉伤问题更是严重。

工件表面拉伤，模具表面也会出现拉伤，此时如继续生产，一方面工件表面质量进一步恶化，另一方面，工件可能会出现拉裂现象。

解决问题的方法通常是停机对模具表面进行修磨、抛光，如此反复修磨使模具尺寸发生变化。

因此拉伤问题的出现会带来以下问题：难以满足批量连续生产的要求，降低生产效率，增加劳动强度，降低模具寿命和被加工产品尺寸的一致性，影响了产品外观，降低产品品质。

实践表明，在没有采取其它方法的情况下，由钢铁材料制作的模具用于钢铁件的成型，当成型力较大时，无论模具如何热处理或淬火硬度有多高，拉伤问题无法避免。

研究表明，拉伤问题的实质是由于工件和模具表面局部出现粘着（或焊合，咬合）的结果［1］。

要解决或改善拉伤问题可以有很多种方法，其基本原则是必须改变模具与被加工零件这对摩擦副的性质，使摩擦副由不易粘着的材料代替，具体方法可以是：第一从模具方面入手的方法是改变模具材料或对模具进行表面处理；第二对被加工零件的原材料进行表面处理（如磷化处理）；第三在模具与被加工零件之间加一层其它物质，使被加工零件与模具分离（如加大润滑或加特种润滑剂或加一层PVC之类材料）。

以上方法在不同的场合下都有应用[1],一般情况下经济而有效的方法是从模具方面入手，以下就模具材料和几种常见的表面处理方法在解决此类问题时的一些应用作些简要介绍。

模具材料方面，硬质合金是大家公认的耐磨抗咬合材料，在模具不大而成形力很大，且形状较简单时采用此类材料在不少场合优势很大。

但该材料加工困难，脆性也很大，成本高，由于烧制大型硬质合金困难，大型模具无法成型，所以大型汽车配件模具很难采用该材料。

铜基合金也可以解决表面拉伤问题，存在的问题是因其强度较低，耐磨性较差，很难满足大批量生产的要求。

模具表面处理方面，目前国内应用较多也是比较熟悉的是各类氮化和镀硬铬，这两种表面处理方法的抗拉伤性能较高，但由于表面硬化效果有限，HV仅有1000左右，表面硬化层磨损后拉伤又会出现。

此外，镀硬铬的镀层与模具母材机械结合，在成型力较大时容易脱落，而镀层一但脱落抗拉伤性能也就失去。

所以氮化和镀硬铬在汽车覆盖件上虽然有应用，但其效果是有限的。

PVD或PCVD的镀层如镀钛层也具有良好的抗拉伤性能，由于镀层硬度可以高达HV2000-3000，甚至更高，因而也具有优异的耐磨性能，只是镀层与母材结合力较差，在拉伸类模具上使用时很容易使镀层脱落，发挥不出其抗拉伤和耐磨的效果，有时根本就无效果，所以这类技术在成型类模具上应用也很有限。

实践已证明，目前最有效而经济的根本解决成形类模具表面处理拉伤问题的表面处理方法是高温化学气相沉积（即高温CVD，尽管CVD可覆层的种类很多，但一般模具应用最多的是TiC覆层，因此也称为TiC处理）和TD覆层处理，这两种方法在不同国家不同场合各有偏重，相比而言前者成本较高，环保压力较大。

目前日，韩，美普遍应用的是TD覆层处理，我国（包括台湾地区）对于解决模具表面拉伤问题和提高模具寿命的表面处理技术缺乏必要的认识，近年来随着外资企业的不断涌入，特别是汽车工业的高速发展，TD覆层处理技术的价值将越来越多的被人们所认识。

2． TD覆层处理在汽车成形模上的应用实例实例一，汽车冲压成型类模具见照片1所示汽车配件模具镶块，其加工的是3.2mm厚强度为400MPa左右的高强度钢板，该模具在没有进行TD覆层处理以前加工的工件表面出现严重的拉伤，拉伤问题的出现降低生产效率，恶化工件的表面质量，降低了模具寿命。

通过对模具进行TD覆层处理以后，可以根本上解决工件表面的拉伤问题，并可以提高模具寿命至20-30万冲次。

照片1.汽车配件模具镶块照片2.车轮钢圈成型滚轮实例二，汽车车轮成型模汽车车轮成型模具（见照片2）的工作方式是将钢铁锻坯辊压成车轮钢圈，该模具不进行表面处理很快就会出现拉伤并咬死，无法正常生产。

原来该类模具一般采用盐浴氮化处理（QPQ处理），寿命一般仅能生产不到一千件产品，又需重新拆下进行QPQ处理，生产过程中还需加入大量的机油等润滑剂，操作环境恶劣。

后采用TD覆层处理技术，寿命提高至8万件以上，较原QPQ 处理技术提高近百倍，大大提高了生产效率和降低了生产成本，此外，采用该技术处理的模具对润滑条件可以放宽，劳动条件大为改善。

三．应用注意事项TD覆层处理温度是850℃-1050℃，是一种高温处理过程，为使TD覆层发挥出良好的使用效果，需要母材对覆层有良好的支撑，因此，TD覆层处理往往还有淬火的过程。

由该技术的处理过程可以看出，工件TD覆层处理中必然会产生热应力；对于钢铁材料而言这样的处理温度一般都还会有相变过程，相变的结果会形成组织应力和工件比容的变化，热应力，组织应力，比容的变化都会使工件产生变形甚至开裂的现象。

而一般TD覆层处理是模具的最终加工工序，处理后不容许再加工，所以TD覆层处理技术能否成功应用的关键是第一：形成合格的表面覆层；第二：尽量减小工件的变形，并杜绝开裂现象。

根据笔者十余年从事该项技术的经验，要用好该技术除需要专业的指导以外还必须特别注意以下问题：1．材料要求：采用热处理微变形钢。

一般推荐SKD11，D2，DC53，Cr12MoV等高铬模具钢，实际上目前该技术在模具上应用最多的也是此类材料；须说明的是，目前国产模具钢材质量参差不齐，要是用国产的钢材，建议用品质优良的钢材，否则容易出现变形超差的问题；2．冷热加工方面：工件的热处理制度及其冷热加工内应力，对 TD覆层处理加工过程的变形量有重要影响，这往往需要各方相互沟通，才能使变形量减少。

3．设计方面：汽车冲压件模具往往比较大，出于制造成本，材料供应难易及冷热加工手段的限制等方面的考虑，要进行TD覆层处理的大型模具一般都做成镶块结构，并尽量减少工作部位的分型面，以减少TD覆层处理后的调模工作量。

另外工件截面的急剧变化，内部有尖角，细长或薄板类钢件，热处理过程中工件容易变形甚至开裂，所以要TD覆层处理的工件设计时要尽量避免以上结构。

4．要TD覆层处理的工件如已做过其他表面处理，如各类渗氮，渗硼，镀硬铬，PVD沉积等，需将原表面处理层彻底清除，否则会影响TD覆层的表面质量，而已做过我公司TD覆层处理的工件，一般只需将损伤部位修复即可再进行TD覆层处理。

参考文献［1］彭智虎，唐丽文，拉伸类模具的表面拉伤问题及其防止措施［J］，模具工业，2006，32（1），69-73.。