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常州熱處理加工廠家為你介紹TD處理技術

來源www.agroison.com 2018-09-06
TD處理(Toyota Diffusion Coating Process)技術是由日本豐田中央研究所開發的,是用熔鹽浸鍍法、電解法及粉末法進行表面強化(硬化)處理技術的總稱。過去的一些文獻將TD處理稱為滲金屬處理。實際應用最為廣泛的是熔鹽浸鍍法(或稱熔鹽浸漬法、鹽浴沉積法)在模具表面形成VC、NbC、Cr23C6-Cr7C3等碳化物超硬“涂層”(實為滲層)。由于這些碳化物具有很高的硬度,所以經TD法處理的模具可獲得特別優異的力學性能。一般來說,采用TD處理與采用CVD(化學氣相沉積)、PVD(物理氣相沉積)、PCVD(等離子化學氣相沉積)等方法進行的表面硬化處理效果相近似,但由于TD法設備簡單、操作簡便、成本低廉,所以是一種很有發展前途的表面強化處理技術。TD處理在國外應用已相當普遍,但在國內報道并不多見。
1.設備及鹽浴成分
TD處理所用設備有普通外熱式坩堝鹽浴爐和采用將坩堝置入一內熱式電極鹽浴爐爐膛內的設備,后者不僅增大了設備體積及設備功率,而且這種電極鹽浴爐還需配備專用變壓器,故這種設備并不多用。
鹽浴成分:耐熱坩堝中的鹽浴,70-90%是硼砂(Na2B4O7),根據涂覆層的組織成分要求,再加入能形成不同碳化物的物質,如:涂覆VC時,加入Fe-V合金粉末或V2O5粉末。
無水硼砂的熔點為740℃,其分解溫度高達1573℃,在高溫狀態非常穩定。熔融硼砂具有溶解金屬氧化物的能力,使工件表面保持潔凈,有利于工件表面吸附活性金屬原子。硼砂鹽浴中的添加劑是V、Nb、Cr及其Fe合金或氧化物粉末。目前,工具鋼多采用VC涂層。如需涂覆NbC、Cr—C,則在硼砂中加入Fe-Nb、Fe-Cr合金粉末或Nb2O5、Cr2O3氧化物粉末。添加劑的數量要適當,既要滿足滲入元素的濃度和擴散速度要求,又要使鹽浴具有較好的流動性。
如鹽浴組成中含有金屬氧化物,則需添加Al、Ca、Ti、Fe-Ti、Fe-Al等物質,以提高并保持鹽浴的活性,使活性金屬原子得以在鹽浴中被還原出來。
2.工藝概述
將硼砂放入坩堝中加熱熔化并升溫至800~1200℃,然后加入組成鹽浴的其它物質,再將工件浸入鹽浴中保溫1~10h(浸漬時間長短取決于工藝溫度及“涂覆”層厚度要求)工件表面就會形成由碳化物構成的表面“涂層”。
3.碳化物的形成機理
碳化物的形成過程是硼砂鹽浴中活性金屬原子與工件(基材)本身的碳原子相結合的過程,這個過程包括以下四個步驟:
(1)碳化物形成元素的合金或氧化物粉末不斷向鹽浴中溶解,并被還原為活性金屬原子;
(2)活性金屬原子在鹽浴中向工件表面擴散;
(3)金屬原子與工作表面的碳原子結合形成碳化物;
(4)工件內部的碳原子不斷向表面擴散,與金屬原子結合,碳化物層不斷增厚。
由此可見,TD處理過程中的V、Nb、Cr等碳化物形成元素與C結合,在工件表面形成VC、NbC、Cr-C等,其中的V、Nb、Cr來自鹽浴中所添加的金屬合金或氧化物粉末,而碳化物中的C則來自基材在工藝溫度下固溶于奧氏體或鐵素體中的碳,碳化物層的形成是靠鹽浴中的活性金屬原子和碳原子的雙向擴散完成的,而碳原子在整個擴散過程,均在基材(固體)內進行。因此,熔鹽浸鍍法是一種利用擴散規律進行表面強化的處理方法,“涂覆”層的形成機理與PVD、CVD有本質不同。
由于碳化物中的C來自工件(基材)本身,因此要求基材的含碳量在0.4%以上,一般含碳量較高的工具鋼最適宜作TD處理的基材。
4.TD處理的工藝參數
影響TD涂層厚度的主要因素是鹽浴溫度、處理時間和基材的化學成分,其關系為D2=Ate-Q/RT,式中D為“涂覆”層厚度(mm);t為浸漬時間(s);T為工藝溫度(k);Q為碳化物層的擴散激活能(約為167.47~209.34KJ/mol);R為氣體常數(8.29J/mol.k);A為由基材含碳量等因素決定的常數,一般在10-3~10-2之間;e為自然常數。
根據上述函數關系,對某一工件(基材),其含碳量及化學成分是一定的,當工藝溫度一定時,根據設計的“涂覆”層厚度要求,時間便可確定。
TD處理的特點是碳化物層厚度隨處理時間的變化規律符合拋物線(菲克第二定律)規律。
如前所述,TD處理溫度一般在800~1200℃,這個選擇范圍是比較寬的,而溫度的高低又直接影響到“涂覆”層形成的速率,因此,工藝溫度非常關鍵,而目前作者所見的報道均未對此作出介紹。筆者認為:TD處理溫度應與基材的最佳淬火溫度相一致。因為TD處理后須經淬火、回火處理,以獲取必要的基體硬度。溫度選擇過高,則會在TD處理過程導致基體組織的粗化,這種粗化的組織直接進行淬火,不僅降低了基體的力學性能,還會加劇變形開裂趨勢。而當處理溫度選擇過低時,則在TD處理過程不能完成奧氏體化,從而不能直接淬火,這是不經濟的
2379我做過就是按D2的工藝做1030淬火510回火58-60
Cr12型鋼Cr12Mo1V1(美國牌號D2)
含有很高的C和Cr,導熱性很差,加熱速度要緩慢均勻,大鍛件必須采用預熱加熱或以階梯加熱方式控制加熱速度,鋼件在爐膛的位置適當,有時還要反復翻轉,以使受熱盡量均勻。
1.鍛造溫度
Cr12型鋼鍛造加熱溫度為1100~1150℃,始鍛溫度為1060~1080℃,終鍛溫度為900~850℃。由于其鍛造溫度范圍窄,除小鍛件外,一般均需兩火以上,到達終鍛溫度時,應立即入爐,進行二火加熱。
2.鍛造工藝方法
2.1“兩輕一重”打法
即坯料溫度高于1050℃時輕打,在1050~900℃重打,低于900℃時輕打。這種方法可避免出現裂紋和鍛“酥”,因為高溫時,鋼的基體塑性很好,重打雖可加速成形而不易打裂,但難以將Cm打碎;低溫時重打會造成開裂或打“酥”,在1050℃~900℃時,基體強、硬度較高,于此范圍重打,易獲得Cm碎化均勻的效果。
2.2鍛造比
鍛造比最好大于3,若Cm偏析嚴重,則應使鍛比大于6。初鍛時,控制變形量每次不超過5%,這樣可使外圍得到輕度變形,并鍛合內部缺陷,以提高塑性。為防止鍛裂,鍛造時還應注意棱角處的溫度不低于800℃,有工廠還將砧鐵等工具預熱到150~400℃,忌用冷砧、冷鉗與熱鍛件接觸,因接觸部位易出現裂紋。
2.3六面揉鍛
為最大限度地碎化和均勻Cm分布,應采用鐓粗—拔長且反復多次的變形工藝,鐓粗壓縮比最好大于50%,最后象揉面團一樣,上下、前后、左右翻動進行六面揉鍛,這樣才有利于使Cm破碎。
2.4碳化物流線取向
在工模具制造中,仔細選擇模塊在鍛坯中所處的部位,可使畸變保持最小。對畸變特別敏感的方向和部位應盡可能與碳化物流線方向垂直;截面的變化和截面上組織的變化所引起的畸變應考慮相互抵消或削弱,而不允許迭加。因此,鍛造時要使Cm流線的取向與鍛造方向平行;模塊取材時,應使Cm流線與使用時的受力方向垂直。
2.5鍛后冷卻
由于Cr12型鋼含碳量及合金元素含量很高,如鍛后采用緩慢冷卻,則易在晶界上析出網狀Cm,從而影響毛坯質量,故鍛后一般先快冷(空冷、風冷)至700℃左右時,進行坑冷或入爐緩冷。
由于Cr12MoV鍛造質量難保證,我常建議用
Cr12Mo1V1(美國牌號D2)
Cr12Mo1V1是國際上較廣泛采用的高碳高鉻冷作模具鋼,屬萊氏體鋼,具有高淬透性、淬硬性、高的耐磨性;高溫抗氧化性能好,淬火和拋光后抗銹蝕能力好,熱處理變形;適宜制造高精度、長壽命的冷作模具、刃具和量具,例如形狀復雜的沖孔凹模、冷擠壓模、滾絲輪、搓絲板、冷剪切刀和精密量具等;瘜W成分見GB/T1299-2000。
CSiMnPSCrMoVCo
1.40-1.60≤0.60≤0.60≤0.03≤0.0311.00-13.000.70-1.20≤1.10≤1.00
該鋼可以采用二種淬火溫度。
(1)
采用較低的淬火溫度950-1040℃180-230℃低溫回火硬度60-64HRC
(2)
采用較高的淬火溫度1050-1100℃510-540℃高溫回火2次硬度60-64HRC經QPQ處理,效果更佳。
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