TD专题之二 ——渗层性能对基体的要求

TD之家

VC渗层的高硬度、高耐磨性对模具基体的性能要求是十分苛刻的。表层的厚度一般在8-20um，它自身抵抗外力的能力很弱的，这就需要基体的强有力的支撑。问题是，如何调整基体材料的强韧性配合关系呢？

孤鸿踏雪

楼主的TD处理太夸张了吧？
    请问TD处理的沉积层要达到8~20μm，工艺时间大约为多长？

TD之家

8-12小时的保温处理时间，这有什么奇怪的么？请问楼上专家

孤鸿踏雪

TD之家：
    能否介绍一下你的工艺细节，例如选用的工艺温度，处理后重新加热淬火吗？还是与淬火结合在一起？那个沉积层厚度有什么方法测试？

大漠孤雁

我看到资料介绍说，TD处理的沉积层一般在2~7μm。

TD之家

4# 孤鸿踏雪

可以参照我们的网站介绍www.dhan-td.com（完善中······）

TD之家

TD之家：
    能否介绍一下你的工艺细节，例如选用的工艺温度，处理后重新加热淬火吗？还是与淬火结合在一起？那个沉积层厚度有什么方法测试？
孤鸿踏雪 发表于 2009-12-21 10:28

TD处理后是直接淬火的。工艺温度视模具材料而定，还得兼顾变形的控制。
厚度测量目前我们测验随炉样件金相法测量。

lintaotao

楼主，可否介绍下你的盐浴的成分

孤鸿踏雪

楼主对大漠孤雁的5#跟帖有何看法？

TD之家

9# 孤鸿踏雪
大漠孤烟的厚度也在TD处理的范围之内，至于多高厚度更适合于实际使用这个问题我们也在探索中，我所说厚度是我们根据实际使用效果总结出来的。当然，减薄TD皮膜可以大幅度降低成本的，这个帖子的主旨就是想通过对基体强度的调整来达到减薄TD皮膜目的的。

期待孤鸿踏雪高人的指点！

孤鸿踏雪

10# TD之家
   我想楼主对大漠孤雁的跟帖理解有误。TD处理实质上就是渗金属，它的渗速虽然与渗碳一样符合菲克（扩散）定律，但它的渗速极其缓慢，远非与渗碳可比。TD处理的工艺温度一般为800~1200℃，在这个温度范围进行处理，按楼主所讲8~12小时，其渗层深度就能达到8~20μm，有点匪夷所思。

孤鸿踏雪

愿意就这个问题与TD之家进行切磋、探讨，期待你的回复。

TD之家

有专家同志的指导当然是我等求之不得的事情了，多谢！

但不清楚之家所说“这个问题”是指渗层性能对基体的要求还是渗层深度与时间的关系当中的哪一个？

孤鸿踏雪

TD之家（13#）
     就是TD处理的沉积层（或者说渗层）厚度问题。

TD之家

专家对沉积层厚度有何看法呢？愿闻其详

孤鸿踏雪

TD之家：
     感谢回复。非常抱歉，我没有做过TD处理，正如坛子里的朋友所讲，对于TD处理，我是在纸上谈兵。但多年来，我一直非常关注该技术。
     影响TD涂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，其关系为D2＝Ate-Q/RT，式中D为“涂覆”层厚度（mm）；t为浸渍时间（s）；T为工艺温度（k）；Q为碳化物层的扩散激活能（约为167.47～209.34KJ/mol）；R为气体常数（8.29J/mol．k）；A为由基材含碳量等因素决定的常数，一般在10-3～10-2之间；e为自然常数。
    根据上述函数关系，对某一工件（基材），其含碳量及化学成分是一定的，当工艺温度一定时，根据设计的“涂覆”层厚度要求，时间便可确定。

TD之家

“R为气体常数（8.29J/mol．k）”——这里是液体渗的呀，这个参数应该改一改吧？

孤鸿踏雪

17#楼 TD之家
     不知楼主（TD之家）是不是真正的TD之行家？我在11#帖已经讲得很清楚：TD处理实际上就是渗金属，当然是液体（盐浴）渗，但这与其渗层设计所依据的理论计算公式中的气体常数有什么关系或矛盾吗？难道计算公式中应该出现一个“液体常数”才正常吗？
     换一种讨论方式，不知楼主的TD处理工艺参数依据什么设计或制定，难道完全依靠试验或经验吗？

TD之家

回楼上专家，我不是TD之行家，是TD之家。
对于你给出的这么复杂的公式我着实的学习了许久（实在抱歉，我只是小学多上了几年，初中都不屑与那些小孩子们为伍了，说实话，那28个英文字母我都记不全呢），才发现这个与气体有关的常数，于是才有以上发问，见谅了！呵呵呵
这个技术我们最初采用的是人家的现成的工艺，后来，使用中发生过诸多问题，所以才有了现在的变化。也许这就叫理论联系实际吧。
最早接触这项技术是煤机一易损件的生产中，当时采用的是河北工业大学一韩姓老师的液体盐浴渗碳化钒技术。后来持续改进、盗取才有了今天的结果。

孤鸿踏雪

我这点空头理论与你分享如下：
     TD处理（Toyota Diffusion Coating Process）技术是由日本丰田中央研究所开发的，是用熔盐浸镀法、电解法及粉末法进行表面强化（硬化）处理技术的总称。过去的一些文献将TD处理称为渗金属处理。实际应用最为广泛的是熔盐浸镀法（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“涂层”（实为渗层）。由于这些碳化物具有很高的硬度，所以经TD法处理的模具可获得特别优异的力学性能。一般来说，采用TD处理与采用CVD（化学气相沉积）、PVD（物理气相沉积）、PCVD（等离子化学气相沉积）等方法进行的表面硬化处理效果相近似，但由于TD法设备简单、操作简便、成本低廉，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。
     1.设备及盐浴成分
     TD处理所用设备有普通外热式坩埚盐浴炉和将坩埚置入一内热式电极盐浴炉炉膛内的设备两种，后者不仅增大了设备体积及设备功率，而且这种电极盐浴炉还需配备专用变压器，故这种设备并不多用。
     盐浴成分：耐热坩埚中的盐浴，70-90%是硼砂（Na2B4O7），根据涂覆层的组织成分要求，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V2O5粉末。
     无水硼砂的熔点为740℃，其分解温度高达1573℃，在高温状态非常稳定。熔融硼砂具有溶解金属氧化物的能力，使工件表面保持洁净，有利于工件表面吸附活性金属原子。硼砂盐浴中的添加剂是V、Nb、Cr及其Fe合金或氧化物粉末。目前，工具钢多采用VC涂层。如需涂覆NbC、Cr—C，则在硼砂中加入Fe-Nb、Fe-Cr合金粉末或Nb2O5、Cr2O3氧化物粉末。添加剂的数量要适当，既要满足渗入元素的浓度和扩散速度要求，又要使盐浴具有较好的流动性。
     如盐浴组成中含有金属氧化物，则需添加Al、Ca、Ti、Fe- Ti、Fe-Al等物质，以提高并保持盐浴的活性，使活性金属原子得以在盐浴中被还原出来。
     2.工艺概述
     将硼砂放入坩埚中加热熔化并升温至800～1200℃，然后加入组成盐浴的其它物质，再将工件浸入盐浴中保温1～10h（浸渍时间长短取决于工艺温度及“涂覆”层厚度要求）工件表面就会形成由碳化物构成的表面“涂层”。
     3.碳化物的形成机理
     碳化物的形成过程是硼砂盐浴中活性金属原子与工件（基材）本身的碳原子相结合的过程，这个过程包括以下四个步骤：
     （1）碳化物形成元素的合金或氧化物粉末不断向盐浴中溶解，并被还原为活性金属原子；
     （2）活性金属原子在盐浴中向工件表面扩散；
     （3）金属原子与工作表面的碳原子结合形成碳化物；
     （4）工件内部的碳原子不断向表面扩散，与金属原子结合，碳化物层不断增厚。
     由此可见，TD处理过程中的V、Nb、Cr等碳化物形成元素与C结合，在工件表面形成VC、NbC、Cr-C等，其中的V、Nb、Cr来自盐浴中所添加的金属合金或氧化物粉末，而碳化物中的C则来自基材在工艺温度下固溶于奥氏体或铁素体中的碳，碳化物层的形成是靠盐浴中的活性金属原子和碳原子的双向扩散完成的，而碳原子在整个扩散过程，均在基材（固体）内进行。因此，熔盐浸镀法是一种利用扩散规律进行表面强化的处理方法，“涂覆”层的形成机理与PVD、CVD有本质不同。
     由于碳化物中的C来自工件（基材）本身，因此要求基材的含碳量在0.4%以上，一般含碳量较高的工具钢最适宜作TD处理的基材。
     4.TD处理的工艺参数
影响TD涂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，其关系为D2＝Ate-Q/RT，式中D为“涂覆”层厚度（mm）；t为浸渍时间（s）；T为工艺温度（k）；Q为碳化物层的扩散激活能（约为167.47～209.34KJ/mol）；R为气体常数（8.29J/mol．k）；A为由基材含碳量等因素决定的常数，一般在10-3～10-2之间；e为自然常数。
     根据上述函数关系，对某一工件（基材），其含碳量及化学成分是一定的，当工艺温度一定时，根据设计的“涂覆”层厚度要求，时间便可确定。