劉子豪，畢 彥，陳熠卓，牛 帥，蘇海東，周小玉

（1.天津理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津市金屬材料高效近凈成形技術(shù)工程中心，天津 300384；2.天津中德應(yīng)用技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300350；3.天津汽車模具股份有限公司，天津 300308）

0 前言

目前，在汽車、重工業(yè)等領(lǐng)域，隨著制件表面質(zhì)量和強(qiáng)度的要求不斷提高，高強(qiáng)度板料的出現(xiàn)，板料彎曲成形過(guò)程中模具受到的載荷越來(lái)越大，模具與料的摩擦力加強(qiáng)，壽命變得越來(lái)越短，其中最主要模具失效的形式是磨損［1－2］。

某公司在生產(chǎn)如圖1所示某品牌小汽車座椅軌道時(shí)，軌道材料為QSTE420TM，強(qiáng)度500 MPa，板料厚度為2.5 mm。軌道側(cè)立邊的是兩個(gè)對(duì)稱制件一起彎曲成形，模具如圖1b所示，材料選用Cr12MoV，采用常規(guī)熱處理，結(jié)果模具快速失效，現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，模具失效部分為制件尾端轉(zhuǎn)角處，如圖1b圈示位置，該區(qū)域三向受壓，模具受到的磨損十分強(qiáng)烈，在發(fā)生磨損失效。根據(jù)其模具材料、工作環(huán)境、受損類型等條件，決定采用TD處理［3－8］。

TD（Thermal Diffusion）處理是熔鹽熱擴(kuò)散技術(shù)，由日本豐田發(fā)明，是在基體表面形成超硬化涂層，減小摩擦系數(shù)，顯著提高耐磨性，TD技術(shù)被廣泛應(yīng)用在重載模具中，可以顯著提高模具的壽命［9－10］。根據(jù) TD處理工藝和 Cr12MoV熱處理工藝，制定了生產(chǎn)方案，并進(jìn)行了XRD衍射，硬度試驗(yàn)，劃痕實(shí)驗(yàn)等［11－19］。

圖1 汽車座椅導(dǎo)軌和彎曲模具

1 TD法基本原理與工藝

1.1 TD法基本原理

TD法在鹽浴爐中，經(jīng)高溫，鹽浴成分被分解生成活性金屬原子（如釩原子），與鋼分解的碳原子形成超硬的化合物，覆在基體表面。

形成碳化釩涂層的鹽浴配方：基鹽（硼砂＋BaCl2）77%，供釩劑（V2O5）10%，還原劑（硅粉＋B4C）4%，活化劑（NaF）9%，加熱至1050℃。

TD法原理屬于化學(xué)熱擴(kuò)散，供釩劑被還原劑還原，分解出活性的釩原子。方程式如下：

5Si＋2V2O5＝4［V］＋5SiO2（1）

5B4C＋8V2O5＝16［V］＋10B2O3＋5CO2↑ （2）

模具鋼在高溫下，分解成一定量的碳原子，向外表面擴(kuò)散，與活性原子釩生成的超硬的碳化釩陶瓷層，在高溫和時(shí)間作用下，分解和吸收持續(xù)進(jìn)行，模具鋼中的碳不斷向外擴(kuò)散，形成了冶金結(jié)合的致密的碳化釩超硬涂層。

1.2 TD法的工藝

用Cr12MoV做試件，進(jìn)行TD處理后，測(cè)試涂層各項(xiàng)性能，TD處理工藝如下：

（1）脫脂。由于TD法是和基體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，基體表面需要處理，用酒精清洗去油。

（2）預(yù)熱和裝吊。將已經(jīng)進(jìn)行了預(yù)熱的模具（預(yù)熱溫度500～600℃）吊裝在1 050℃鹽浴爐中。

（3）TD涂層制作。當(dāng)鹽浴溫度達(dá)到1 050℃時(shí)，開始計(jì)算并保溫一定的時(shí)間，要求涂層厚度為8～10μm，保溫時(shí)間應(yīng)在9～10 h。

（4）淬火。由于Cr12MoV的TD處理溫度和基體的溫度一樣是1 050℃，模具從鹽浴爐中取出，可直接進(jìn)行油中冷卻淬火。

（5）清洗。TD處理后必須對(duì)工件表面的殘鹽進(jìn)行清理，由于硼砂容易在沸水中溶解，將工件放進(jìn)沸水中多次煮洗。

（6）回火。回火溫度控制在520～550℃，回火時(shí)間2 h，次數(shù)以2次，經(jīng)過(guò)這樣的處理，Cr12MoV的強(qiáng)韌性得到最佳狀態(tài)，硬度在58～60 HRC，模具尺寸穩(wěn)定，對(duì)TD的超硬層有強(qiáng)支撐。

（7）拋光。模具表面需要拋光處理，達(dá)到Rz0.05μm。

2 試驗(yàn)

2.1 XRD衍射

所用設(shè)備為日本理學(xué)公司的DMAX－2500 18KVA X射線衍射儀，TD涂層處理后如圖2所示。

圖2 TD涂層的XRD衍射分析

圖2 的TD涂層的XRD衍射分析，幾個(gè)主峰與V8C7相符合，可以判定TD涂層的化合物為碳化釩。

2.2 電鏡形貌觀察和能譜分析

試件鍍金后，使用設(shè)備為日本電子公司的JSM－6700F掃描式電子顯微鏡。

2.2.1 形貌分析

掃描電鏡下TD法強(qiáng)化涂層如圖3所示，由圖可見，TD法加工涂層致密，厚度一致，厚度為10.93μm，涂層與基體有分子擴(kuò)散，結(jié)合緊密。

圖3 TD強(qiáng)化涂層的SEM

2.2.2 能譜分析

本實(shí)驗(yàn)做單點(diǎn)的分析，TD涂層的元素百分比見表1。

表1 TD涂層的元素百分比

碳化釩膜中C原子的含量約為50.91%，V原子的含量約為48.64%，接近碳化釩，與XRD衍射結(jié)果一致。

2.3 硬度試驗(yàn)

硬度測(cè)試采用日本島津HMV－2T顯微硬度計(jì)，加載10g。對(duì)試件的三個(gè)不同的位置進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果為：2 468 HV，2 662 HV，2 879 HV，平均2 670 HV。

2.4 劃痕試驗(yàn)

劃痕實(shí)驗(yàn)采用蘭州中科WS－2005涂層附著力自動(dòng)劃痕儀進(jìn)行測(cè)試，其最大加載載荷為100 N。從圖4中可看出，當(dāng)載荷增加至56.6 N時(shí)聲波信號(hào)突然增強(qiáng)，說(shuō)明覆層開始脫落，這個(gè)數(shù)值即為碳化釩覆層與基體的結(jié)合力。

圖4 劃痕實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.5 腐蝕試驗(yàn)

常溫條件，將經(jīng)TD處理和未經(jīng)TD處理對(duì)比工件浸泡在10%HCl溶液中，每1 min攪拌一次，每20 min取出試樣，酒精清洗，吹風(fēng)機(jī)吹干，再由分析天平稱量，重復(fù)以上處理工藝9次。即在常溫鹽酸中浸泡共計(jì)180 min，將經(jīng)TD處理和未經(jīng)TD處理的兩種條件下的各對(duì)比試樣失重進(jìn)行對(duì)比分析，得出各試樣在相同條件下的相對(duì)耐蝕性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄見表2，分析如圖5所示。

表2 試件腐蝕試驗(yàn)

圖5 被腐蝕度件的重量變化

由圖5可以看出TD處理后，試件幾乎不被腐蝕，而未進(jìn)行TD處理的試件則快速腐蝕。

式中，v為腐蝕速率，g·m－2·h－1；m0為試樣腐蝕前的質(zhì)量，g；m1為清除腐蝕產(chǎn)物后試件的質(zhì)量，g；s為試件表面積，m2；t為腐蝕時(shí)間，h。

計(jì)算出TD處理的試件在10%的鹽酸溶液中的腐蝕速率為0.263 g／m2·h，而未經(jīng)TD處理的試件在相同環(huán)境下的腐蝕速率為4.450 g／m2·h，兩者相差將近17倍，可見TD處理可顯著增加模具的抗腐蝕性。

3 模具的壽命

對(duì)如圖1b所示的小汽車座椅軌道的彎曲模具，材料采用與Cr12MoV同類的進(jìn)口模具鋼SKD11，模具按TD工藝，得到碳化釩薄膜，經(jīng)檢驗(yàn)，TD涂層為9μm，硬度為2 520 HV，整個(gè)模具1 050℃油淬后，進(jìn)行兩次550℃的回火處理，得到基體的硬度為60 HRC，經(jīng)生產(chǎn)驗(yàn)證，未經(jīng)TD處理的模具壽命在0.2萬(wàn)件以內(nèi)，失效形式為磨損失效，采用TD處理，壽命達(dá)到1.5萬(wàn)件，失效形式為TD涂層疲勞失效，壽命提高7.5倍。

4 結(jié)束語(yǔ)

（1）根據(jù)電鏡觀察和 XRD衍射，可得出Cr12MoV類模具鋼通過(guò)TD處理后，表面形成一層致密的碳化釩覆層，其反應(yīng)是熱擴(kuò)散反應(yīng)，供釩劑分解出釩原子與模具鋼中的碳原子生成一層10μm左右的陶瓷物質(zhì)碳化釩；

（2）根據(jù)劃痕實(shí)驗(yàn)，可看出結(jié)合強(qiáng)度為56.6 N，結(jié)合力強(qiáng)，從硬度試驗(yàn)中覆層的硬度大于2 500 HV；

（3）TD處理可明顯增加模具表面的硬度、耐磨性、耐蝕性，彎曲模具的壽命提高了7.5倍。

［1］ 宋筠毅，張正林，王陽(yáng)，等.TD覆層處理技術(shù)在車身定位銷上的應(yīng)用［J］.上海汽車，2016（04）：42－44.

［2］ 葛志強(qiáng)，韓月琴，陳運(yùn)海，等.TD處理在專用車?yán)渥髂＞咧械膽?yīng)用［J］.模具熱處理，2014（21）：58－59.

［3］ 張俊喜，陳百明，郭小汝，等.Cr12MoV鋼凸模失效分析［J］.模具工業(yè)，2016（10）：67－51.

［4］ 于鵬超，姚海波，田前程.模具表面處理對(duì)沖壓件拉傷問(wèn)題的改善［J］.模具技術(shù)，2017（03）：52－55.

［5］ 金燊超，趙先銳，李妮，等.Cr12MoV鋼冷沖模失效分析［J］.金屬熱處理，2015（07）：189－193.

［6］ 趙銘強(qiáng).TD覆層處理技術(shù)在鞍座殼體成型模上的應(yīng)用［J］.裝備維修技術(shù)，2016（01）：6－9.

［7］ 王玉峰，時(shí)磊，田前程.汽車模具表面TD處理研究［J］.模具制造，2013（02）：92－94.

［8］ 張宗樂(lè).TD覆層處理技術(shù)在解決沖壓件拉毛中的應(yīng)用［J］.模具制造，2015，15（04）：80－82.

［9］ 謝志雄，劉靜，董仕節(jié)，模具表面TD處理被覆碳化釩層的研究［D］.武漢科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.

［10］ 王維，余際星，黃娜，等.模具鋼的TD法鹽浴滲金屬表面強(qiáng)化［J］.熱處理，2012（03）：28－33.

［11］ 萬(wàn)偉，黃俊，羅軍明.Cr12MoV鋼滲釩層組織及耐磨性能［J］.中國(guó)表面工程，2015（08）：90－97.

［12］ 孔德軍，付貴忠，周朝政，等.不同載荷下TD處理制備 VC改性層的摩擦磨損行為［J］.材料工程，2014（10）：53－58.

［13］ 張玉.Cr12與Cr12MoV模具鋼二次硬化及強(qiáng)韌性研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2016.

［14］ 趙作福，周影，齊錦剛，等.Cr12MoV鋼表面化學(xué)熱處理的研究進(jìn)展 ［J］.新型工業(yè)化，2015（11）：1－7.

［15］ 王耀武，曹明宇，閆振.Cr12MoV鋼的鍛造和熱處理工藝［J］.熱處理，2014（04）：37－39.

［16］ Kong Dejun，Wang Jinchun，Guo Haoyuan.XPS and EDS Analysis of VC Coatings Prepared by TD Process［J］.Rare Metal Materials and Engineering，2016，45（02）：297－302.

［17］ 劉秀娟.模具鋼表面TD法制備碳化釩覆層的研究［D］.武漢：武漢理工大學(xué)，2007.

［18］ 何華，楊浩鵬，濮勝君，等.SDC99鋼TD法鹽浴滲釩層結(jié)合力及摩擦磨損性能［J］.金屬熱處理，2015（12）：156－160.

［19］ 萬(wàn)偉.TD鹽浴法制備LD鋼碳化釩覆層及其摩擦磨損性能研究［D］.南昌：南昌航空大學(xué)，2015.