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李德元，姜力，韓子陽(yáng)，宋學(xué)毅
(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng)110870)
摘要:為了解決電弧噴涂鋅鋁合金制造而成的模具表面硬度低、不耐磨損等問(wèn)題，需要在鋅鋁合金表面進(jìn)行鍍層的處理，即通過(guò)電鍍在模具表面進(jìn)行銅鍍層的制備.通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)鋅鋁合金涂層和銅鍍層進(jìn)行了孔隙和夾雜物的觀察，并測(cè)試了鋅鋁合金噴涂層和銅鍍層的顯微硬度，對(duì)噴涂層和電鍍層進(jìn)行了結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試.結(jié)果表明:通過(guò)對(duì)鋅鋁合金模具表面進(jìn)行鍍層處理，消除了模具表面缺陷，使模具的硬度、表面強(qiáng)度、表面光潔度和耐蝕能力都有很大的提高.
關(guān)鍵詞:電弧噴涂;表面;模具;性能;顯微硬度;孔隙;噴涂層;電鍍
中圖分類號(hào):TG 76文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1000-1646(2011)03-0241-05
電弧噴涂快速制模技術(shù)是近十年來(lái)發(fā)展較快的一種新的制模技術(shù)，因其具有效率高、損耗低和易操作等優(yōu)點(diǎn)而倍受矚目[1].目前，發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將電弧噴涂技術(shù)用于模具制造，如美國(guó)的TAFA公司將電弧噴涂制模應(yīng)用于汽車行業(yè)的聚氨酯制品和制鞋工業(yè)中[2];福特公司采用多個(gè)噴嘴的電弧噴涂設(shè)備，可以制作高熔點(diǎn)的電弧噴涂模具[3-4]，采用4噴槍機(jī)器人操作的噴涂工藝，已經(jīng)可以制造2 438 mm×2 438 mm的模具;MCP公司用電弧噴涂模具制造聚亞氨酯鞋底，能夠達(dá)到10萬(wàn)件以上.在我國(guó)，西安交通大學(xué)激光快速成型及模具制造中心利用熱噴涂技術(shù)成功研制了使用壽命達(dá)數(shù)千次的農(nóng)用滴灌噴頭的鋅鋁合金模具.電鑄制模具有良好的復(fù)制精度.目前已在航空、儀器儀表、塑料、精密機(jī)械等行業(yè)發(fā)揮了重要作用[5-6]，并已成功用于EDM電極、注塑模具、光碟壓模等的制造[7-8].電鑄模具的復(fù)制性能要高于電弧噴涂模具，但電弧噴涂制模周期遠(yuǎn)遠(yuǎn)短于電鑄制模周期，生產(chǎn)成本也低于電鑄制模的成本，其制模工藝相對(duì)簡(jiǎn)單.因此，將電鑄與電弧噴涂相結(jié)合制造模具，可顯著縮短模具生產(chǎn)周期，降低模具生產(chǎn)成本，是快速制模技術(shù)中的一個(gè)發(fā)展方向[9-10].
1·實(shí)驗(yàn)部分
采用2種不同的實(shí)驗(yàn)方案將電鑄與電弧噴涂相結(jié)合進(jìn)行模具的制造，并且比較了2種不同方案的優(yōu)缺點(diǎn):
1)先用電弧噴涂在聚氯乙烯原型上面噴涂具有一定強(qiáng)度和硬度的鋅鋁合金涂層，從而形成所需模具的型腔，然后通過(guò)加熱將聚氯乙烯原型和涂層分離.在模具型腔的內(nèi)表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅的處理，再利用電鍍進(jìn)行銅鍍層的加厚，以解決鋅鋁合金噴涂模具的封孔性差問(wèn)題.
2) 利用電鑄進(jìn)行模具的制備，即通過(guò)電鍍先在聚氯乙烯原型上面制備一層銅.為了提高銅鍍層與噴涂層的結(jié)合強(qiáng)度，需要在鍍層的表面進(jìn)行噴砂的預(yù)處理，然后在銅鍍層上面噴涂鋅鋁合金，達(dá)到模具所要求的工作厚度.采用與方案1)相同的方法進(jìn)行模具與原型的分離，將鋅鋁合金涂層的厚度噴到3 mm即完成電弧噴涂，其中電弧噴涂的工藝參數(shù)如表1所示.鋅鋁合金化學(xué)鍍銅的工藝流程主要包括除油、清洗、去銹活化、清洗、化學(xué)鍍、清洗及鈍化.化學(xué)鍍銅工藝規(guī)范如表2所示[11].
由于電鍍需要在導(dǎo)電的原型表面進(jìn)行，因此，需要在聚氯乙烯原型表面涂覆一層導(dǎo)電銅油，然后電鍍到達(dá)所要求的模具工作厚度。為了分析鍍層的性能，將制得的模具切割成小塊，對(duì)其進(jìn)行預(yù)磨、拋光，并采用EDAX公司研制的電子掃描顯微鏡觀察噴涂層和銅鍍層的截面形貌，用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行顯微硬度的測(cè)定.
在整個(gè)工藝流程中，銅鍍層形成模具的型腔表面，電弧噴涂層對(duì)銅鍍層起加固背襯的作用.在方案2)中，對(duì)銅鍍層和噴涂層進(jìn)行結(jié)合強(qiáng)度的測(cè)試，分別在銅鍍層上噴涂鋁絲、鋅鋁偽合金絲及鋅鋁合金絲，來(lái)確定最優(yōu)的噴涂材料.采用粘結(jié)劑對(duì)偶試樣拉伸實(shí)驗(yàn)法(GB8642-88)，在國(guó)產(chǎn) CSS-55100型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行銅鍍層和噴涂層的拉伸實(shí)驗(yàn)，以確定兩者的結(jié)合強(qiáng)度.
2·實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
2.1電鑄工藝參數(shù)對(duì)模具表面性能的影響
在電鑄制模中，硬度和孔隙率是鍍層的重要性能指標(biāo).由于模具在工作狀態(tài)時(shí)，型腔要承受充模壓力，因此，要求鍍層要有足夠的硬度，而孔隙率則反映了鍍層的致密性，它對(duì)鍍層的強(qiáng)度和復(fù)制精度起著重要的作用.影響鍍層硬度和孔隙率的主要因素是陰極電流密度和電鍍?nèi)芤簻囟龋浯问橇蛩徙~濃度和硫酸濃度.陰極電流密度對(duì)鍍層的結(jié)晶晶粒的粗細(xì)有較大的影響.一般來(lái)講，當(dāng)陰極電流密度過(guò)低，陰極極化作用小時(shí)，鍍層的結(jié)晶晶粒較粗;隨著陰極電流密度增大，陰極極化作用也隨之增大，鍍層結(jié)晶較細(xì)致、緊密;但是陰極電流密度不能過(guò)大，不能超過(guò)允許的上限值，否則，由于陰極附近嚴(yán)重缺少金屬離子的緣故，會(huì)在陰極的尖端產(chǎn)生樹枝狀的金屬鍍層，或者整個(gè)陰極表面上產(chǎn)生形狀如海綿的疏松鍍層.在其他條件相同的情況下，在20～30℃內(nèi)，隨著溫度的增高，會(huì)加快陰極反應(yīng)速度和金屬離子的擴(kuò)散速度，降低陰極極化作用，使電鍍層結(jié)晶變粗，并且在與大陰極電流密度的共同作用下，會(huì)形成相對(duì)疏松的電鑄層，使表面硬度、強(qiáng)度下降.因此，電鍍銅應(yīng)保持較低的鍍液溫度.
硫酸銅是鍍液中的主鹽，隨著硫酸銅濃度的增加，雖可提高陰極電流密度，但它會(huì)結(jié)晶析出在陽(yáng)極板上或者溶液中，從而降低鍍液的導(dǎo)電率，影響鍍層質(zhì)量，其濃度一般約控制在200 g/L.而硫酸的作用是防止銅鹽水解，提高鍍液的導(dǎo)電性.當(dāng)硫酸濃度過(guò)高時(shí)，陰極極化作用受到較大的影響;而過(guò)低時(shí)，不能有效地控制銅鹽的水解，會(huì)導(dǎo)致鍍層結(jié)晶粗糙.在生產(chǎn)中硫酸的濃度一般控制在大約65 g/L，鍍液中適量的氯離子能提高鍍層的光亮度和整平性，并能降低鍍層的應(yīng)力.添加劑的作用主要是提高電鍍液的導(dǎo)電性，細(xì)化電鍍層結(jié)晶組織，改善鍍層整平度.另外，為了進(jìn)一步提高鍍層的質(zhì)量和電鍍效率，對(duì)鍍液采用空氣攪拌，從而使陰極附近消耗了的金屬離子得到及時(shí)的補(bǔ)充并降低陰極的濃差極化作用.因此，較合理的電鍍銅工藝規(guī)范如表3所示.
2.2兩種方案噴涂層和銅鍍層孔隙的對(duì)比分析
圖 1是方案1)的電弧噴涂層和鍍層在500倍下的電鏡照片.從圖1a可以看出，電弧噴涂鋅鋁合金涂層存在較多的孔隙，且多數(shù)是封閉性孔隙，同時(shí)也存在少量的慣穿性孔隙.另外，在涂層中也存在一些夾雜物，從而導(dǎo)致電弧噴涂鋅鋁合金所制得的模具表面硬度低，封孔性差等.方案1)采用了在鋅鋁合金模具型腔的內(nèi)表面化學(xué)鍍銅的工藝方案，從圖1b可以看出，鋅鋁合金噴涂層的表面粗糙、凹凸不平，并有許多微小的孔隙.化學(xué)鍍銅時(shí)，涂層表面上的孔洞由于其內(nèi)部的鍍液不能充分得到交換、補(bǔ)充，因此，孔洞不可能被完全覆蓋.另外，化學(xué)鍍銅時(shí)所產(chǎn)生的氫原子和氫氣分子在涂層表面是可以遷移的，隨時(shí)可能聚集成氫氣泡粘附在涂層表面.由于涂層表面粗糙，有微小孔隙的存在阻礙了氫氣泡的排除，而氫氣泡如果總是滯留在一個(gè)地方，就會(huì)在鍍層中形成空洞或縫隙;如果氫氣泡在涂層上附著不牢固，發(fā)生周期性的脫落，就會(huì)出現(xiàn)麻點(diǎn).因此，用化學(xué)鍍銅所得到的銅鍍層中仍然有孔隙的存在.當(dāng)用電鍍進(jìn)行鍍層加厚時(shí)，由于在模具型腔內(nèi)電鍍，因此，制得的鍍層薄厚不一，且電鍍效率極低.由此可見(jiàn)，方案1)工藝繁瑣，不能良好地解決模具表面性能上的缺陷.
圖 2是方案2)的電弧噴涂層和渡層在500倍下的電鏡照片，首先進(jìn)行銅鍍層的制備，然后在銅鍍層上面噴涂鋅鋁合金到達(dá)要求的模具工作厚度.由圖2a可見(jiàn)，雖然在銅鍍層上面噴涂的鋅鋁合金涂層中也存在孔隙和夾雜，但噴涂層并不是模具的工作表面，它只對(duì)模具起加厚的作用，并不影響模具的性能.從圖2b可以看出，電鍍銅層無(wú)孔隙的存在.這是因?yàn)殡婅T具有極高的復(fù)制精度，當(dāng)原型表面很光滑時(shí)，氫電位高，析氫困難.電鍍銅時(shí)所產(chǎn)生的氫氣泡在陰極析出后，很難粘附在光滑的原型表面，另外，在空氣攪拌的作用下能及時(shí)地進(jìn)入鍍液當(dāng)中，使銅鍍層中無(wú)孔隙的存在.從圖2c中可以計(jì)算出銅鍍層的厚度約為0.4 mm，能夠良好地保證模具的精度和強(qiáng)度。
2.3鋅鋁合金涂層和銅鍍層的顯微硬度
對(duì)噴涂層和銅鍍層進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果如表4所示.其中1號(hào)為鋅鋁合金涂層試件，2號(hào)為化學(xué)鍍銅試件，3號(hào)為電鍍銅試件.鋅鋁合金噴涂層由于有孔隙和夾雜物的存在，因此，其顯微硬度值要低于銅鍍層的顯微硬度值.銅鍍層強(qiáng)化了鋅鋁合金的表面，較好地解決了基體表面的孔隙、夾雜等缺陷，并且硬度的提高，使模具具有了更好的耐磨性.
2.4電弧噴涂層和銅鍍層的結(jié)合強(qiáng)度
不同材料的噴涂層與銅鍍層的結(jié)合強(qiáng)度如表5所示.其中1號(hào)試件為在銅鍍層上面噴涂鋁，2號(hào)試件為在鍍層上面噴涂鋅鋁偽合金，3號(hào)試件為在鍍層上面噴涂鋅鋁合金.由斷口形貌可知，各組拉伸試樣斷裂位置均在噴涂層與銅鍍層之間，其中鋁涂層與銅鍍層的結(jié)合強(qiáng)度最大.因?yàn)樵趪娡夸X時(shí)，熔融的Al原子與空氣中的氧發(fā)生放熱反應(yīng)形成了Al2O3，反應(yīng)放出的熱量使熔融粒子部分實(shí)現(xiàn)與銅度層的冶金結(jié)合，提高了結(jié)合強(qiáng)度;但Al的熔點(diǎn)較高，噴涂時(shí)較大的熔滴在銅鍍層表面沉積不易扁平化，容易形成飛濺，涂層間的結(jié)合不緊密，形成的涂層較疏松，因此，電弧噴涂制模具的絲材一般不選用Al絲.
鋅鋁合金涂層與銅鍍層的結(jié)合強(qiáng)度高于鋅鋁偽合金與鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，但小于鋁涂層與鍍層的結(jié)合強(qiáng)度.因?yàn)樵趪娡夸\鋁合金時(shí)，霧化程度高的細(xì)小Zn熔滴可以填充由Al飛濺物形成的較大空隙，所以，Zn-Al合金涂層的組織致密，孔隙較少.鋅鋁偽合金涂層為Zn-Al的機(jī)械混合物，在電弧噴涂時(shí)，將一根Zn絲和一根Al絲分別送入兩個(gè)導(dǎo)電嘴內(nèi)，結(jié)果，Zn、Al兩相的分布很不均勻.而在Zn-Al合金涂層中，Zn、Al兩相分布較均勻，兩相以固溶體的形式存在，因此，Zn-Al合金涂層與鍍層的結(jié)合強(qiáng)度高于Zn-Al偽合金涂層與鍍層的結(jié)合強(qiáng)度.
2.5模具的制造周期與成本
電弧噴涂和電鑄的沉積速度與相應(yīng)的模具制造成本如表6所示，電鑄銅層的厚度至少在3 mm以上才能保證模具的精度與強(qiáng)度，并具有實(shí)際的生產(chǎn)應(yīng)用價(jià)值.因此，利用電鑄制造模具的周期約在100 h.如果在保證不降低電鑄模具使用性能的前提下，把電鑄銅層的厚度減小到約0.4 mm，然后采用電弧噴涂鋅鋁合金將模具加厚到3 mm，那么，制模周期僅需約15 h.
3·結(jié)論
1)將電鑄與電弧噴涂相結(jié)合進(jìn)行模具的制造，可以有效地降低模具制造周期和成本，實(shí)現(xiàn)快速制模的目的.與電鑄制模相比，制模成本和制模周期均可大幅度降低.與電弧噴涂鋅鋁合金制模相比，模具的性能得到明顯提升.
2) 通過(guò)對(duì)制模方案的比較分析可知，方案1)采用化學(xué)鍍銅打底、電鍍銅加厚的工藝方法，化學(xué)鍍銅能得到均勻的很薄的銅鍍層，但受模具型腔的影響，電鍍銅沉積速度慢，且不能得到厚度均勻的鍍層，不能有效地防止鋅鋁合金噴涂模具性能上的缺陷;方案2)先采用電鑄銅鍍層形成型腔，而后噴涂鋅鋁合金至模具所要求的工作厚度，能有效地解決鋅鋁合金噴涂模具封孔性差、不耐磨損等缺陷.
參考文獻(xiàn):略
