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TD处理技术

TD处理（ToyotaDiffusionCoatingProcess）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采用将坩埚置入一内热式电极盐浴炉炉膛

内的设备，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。

TD处理的特点是碳化物层厚度随处理时间