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摘要: 為了提高模具材料的硬度，基于電弧噴涂的工藝特點(diǎn)，制備Zn-Al-Cu偽合金模具金屬殼，討論了Zn-Al-Cu偽合金的硬度與噴涂工藝的關(guān)系。結(jié)果表明，涂層硬度與涂層組織、應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)；電弧噴涂Zn-Al-Cu偽合金涂層的硬度可以達(dá)到HV90-100。
關(guān)鍵詞：偽合金,涂層,硬度,組織
前言
電弧噴涂制造模具的關(guān)鍵在于基體模型表面金屬殼的形成，特別是高硬度金屬殼，直接關(guān)系模具壽命及應(yīng)用范圍。
電弧噴涂制模材料一般選用Zn、Zn-Al偽合金，噴涂時(shí)可采用噴丸強(qiáng)化的方法提高涂層強(qiáng)度、硬度[1]，涂層的硬度不超過HV70。為提高模具的使用壽命，拓寬模具應(yīng)用范圍，開發(fā)了Zn-Al-Cu偽合金涂層，下面詳細(xì)介紹涂層制備工藝和涂層性能。
1 實(shí)驗(yàn)方法
1.1 涂層制備
為提高涂層硬度，利用電弧噴涂的工藝特點(diǎn)，選擇合金噴涂絲，經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)，選擇硬度比較高的Al-Cu-Mg合金絲材（LY12），配合不同直徑的Zn-Al10絲材制備Zn-Al-Cu偽合金涂層。基體采用A3鋼板，噴涂工藝如表1。
表1 涂層制備工藝及硬度實(shí)驗(yàn)
1.2 涂層物相及成分分析
涂層的性能如硬度直接和涂層成分、物相及組織有關(guān)，用JSM-840 掃描電鏡能譜儀分析涂層成分；用D/MAX-RA型X射線衍射儀分析涂層物相，射線參數(shù)為：銅靶，45kv，取Kɑ線，λkα=1.5405Å；采用DIGITAL MICRO-HARDNESS TESTER顯微硬度計(jì)測(cè)量涂層硬度，測(cè)試參數(shù)為：載荷50g，加載時(shí)間20s；在金相顯微鏡下分析組織及形貌特征。
2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析
2.1 涂層的組織與成分
表2為不同工藝下獲得的電弧噴涂層的能譜成分分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)Zn的含量大大低于預(yù)期值。涂層成分決定于電極材料（由送絲電壓、熔絲電壓所決定）和原始成分（決定于Zn-Al10絲與Al-Cu-Mg合金絲的直徑比）。當(dāng)Zn-Al10絲與Al-Cu-Mg合金絲的直徑比為2mm/2mm時(shí)，原始成分的重量比應(yīng)該是ρZn/ρAl=2.56，ρZn、ρAl分別為Zn-Al10、Al-Cu-Mg的比重，當(dāng)Zn-Al10絲與Al-Cu-Mg合金絲的直徑比為1.8mm/2mm和1.6mm/2mm時(shí)，重量比應(yīng)為1.87，和1.08，但是，當(dāng)Zn-Al10絲與Al-Cu-Mg合金絲的直徑比為1.6~2mm/2mm時(shí)，涂層中Zn的成分顯著低于原始材料成分，而且涂層中Zn的含量與原始成分關(guān)系不大。涂層成分主要由電弧噴涂的特點(diǎn)所決定。
表2 不同工藝噴涂層的成分
圖1為不同原始成分的Zn-Al-Cu偽合金涂層截面金相。
圖1 噴涂距離14cm，送絲電壓15V，涂層截面組織
可以發(fā)現(xiàn)，減小涂層中Zn-Al10的原始成分，Zn-Al10的含量有所降低，但同時(shí)從金相照片圖1（黑色相是富Al相，白色相是富Zn相）看出，組織出現(xiàn)多孔、疏松，甚至成分嚴(yán)重偏析（圖1(c)的A區(qū)、B區(qū)）。
圖2不同噴涂距離的情況下得到的兩種涂層的截面金相，可以看出，減小噴涂距離，涂層沉積速率提高，涂層致密程度提高，有利于硬度的提高。
(a) 噴涂距離
圖2不同噴涂距離時(shí)，涂層截面組織，×100
2.2 涂層硬度分析
噴涂層及基體的形貌如圖3，選取樣品中部，采用線切割，制成長(zhǎng)×寬為60×5mm的條形樣品，測(cè)試其顯微硬度。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，涂層中硬度不均勻，所以在涂層樣品截面沿y方向每隔5mm，z方向每隔0.5mm的位置測(cè)量硬度。每個(gè)樣品測(cè)量64~72個(gè)硬度值，求其平均值。
圖3 涂層及基體的形貌
表2實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明改變?cè)汲煞痔岣咄繉又?/SPAN>Al-Cu-Mg成分的結(jié)果并不令人滿意，涂層中Al-Cu-Mg的成分增加不顯著，雖然其原因無(wú)法解釋，但沒有達(dá)到提高涂層硬度的目的。
涂層的硬度不僅與成分有關(guān)，還與涂層的致密程度有關(guān)[1]，從圖1看出，減小Zn-Al10絲的原始成分，得到的噴涂層組織疏松、成分偏析，從涂層硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表1）發(fā)現(xiàn)，涂層硬度下降，并且硬度值分散。
改變噴涂距離，也可影響涂層的硬度。首先，從圖2看出，噴涂距離的減小，涂層沉積速率的提高，涂層致密程度提高，有利于硬度的提高。圖4為不同噴涂距離的情況下得到的涂層X-射線物相分析結(jié)果，可以看出，硬化相如Al7Cu3Mg6，Al2Cu，Al3Mg2，Cu2Mg，Al4Cu9的含量都比較低，相對(duì)含量不超過1%，差別更小，不足以產(chǎn)生硬度上的明顯差別。然而，硬度實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明（表1），改變噴涂距離，涂層硬度的差別還是比較明顯的。從X-射線物相分析結(jié)果還可以看出，晶面面間距有微小差別，以Al相（21）和（32）晶面為例，噴涂距離14cm的涂層普遍比噴涂距離18cm得到的涂層涂層晶面間距小1~10‰（X-射線物相分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果），比標(biāo)準(zhǔn)材料的晶面間距小1~1.5%，晶面間距的減小，意味著涂層承受著壓應(yīng)力。
圖4 不同噴涂距離時(shí)，得到涂層的X-射線衍射圖
針對(duì)不同噴涂距離情況下得到的涂層進(jìn)行應(yīng)力計(jì)算[3]，圖5表示涂層在經(jīng)過150秒冷卻至室溫后的應(yīng)變狀態(tài)計(jì)算結(jié)果。可看出，縮短噴涂距離，涂層沉積速率增加的同時(shí)，氣流及金屬射流對(duì)已形成涂層的沖擊作用增加，冷卻下來(lái)的涂層下表面在最大沉積速率區(qū)域處于壓應(yīng)變狀態(tài)。
(a) 噴涂距離
圖5 不同噴涂工藝時(shí)，涂層殘余應(yīng)變計(jì)算結(jié)果
3 結(jié)論
(1) 由于噴涂過程中Zn-Al10成分的燒損等原因，涂層中Al-Cu-Mg合金的含量比原始成分高得多，有利于涂層硬度的提高。提高Al-Cu-Mg合金原始成分，可提高涂層硬度，但實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，提高Al-Cu-Mg合金成分的同時(shí)，涂層中氣孔數(shù)量增加，有不利于涂層硬度趨勢(shì)存在，嚴(yán)重時(shí)，組織與成分偏析，涂層硬度反而降低。
(2) 涂層硬度決定于涂層的組織、物相組成以及應(yīng)力狀態(tài)，其中應(yīng)力狀態(tài)又是決定涂層硬度非常顯著的因素。增加沉積速率的同時(shí)，氣流及金屬射流對(duì)基體及以形成的涂層的沖擊壓力的增加，導(dǎo)致涂層在冷卻后呈殘余壓應(yīng)變狀態(tài)，加工硬化效應(yīng)顯著提高了涂層硬度。
