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_敦_敦新蟲(chóng) (初入文壇)
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沖壓模具熱噴涂涂層的優(yōu)化 已有2人參與
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沖壓模具熱噴涂涂層的優(yōu)化 �。ǖ拢┪譅柗�?qū)よF爾曼，（德）羅蔚峰，（德）音果·鮑曼等 中國(guó)表面工程 引言：由于能源危機(jī)和環(huán)境污染的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，各汽車(chē)制造廠家越來(lái)越傾向于運(yùn)用新技術(shù)，制造更輕、更省油和更低排放的車(chē)輛。在歐洲，歐盟一直嚴(yán)格控制并持續(xù)減少汽車(chē)的二氧化碳排放量。例如，在德國(guó)小轎車(chē)二氧化碳界限將從２０１２年的１１０ｇ／ｋｍ降低到２０２０年的８０ｇ／ｋｍ［１］。 另外原油價(jià)格在過(guò)去十年中更是“突飛猛進(jìn)”，從２００２到２０１２年漲了將近１００美元／桶［２］。在這種形勢(shì)下，各汽車(chē)廠商紛紛采用各種新型材料，比如使用高強(qiáng)度鋼板、鋁鎂合金、纖維增強(qiáng)塑料來(lái)降低車(chē)身重量來(lái)達(dá)到降低油耗及排放的目的。由于價(jià)格的原因，目前輕量化的高強(qiáng)度鋼板最受各汽車(chē)廠商青睞［３］。在對(duì)高強(qiáng)度鋼板的沖壓過(guò)程中，對(duì)沖壓模具的抗磨損性能的要求也相應(yīng)提高，而傳統(tǒng)的熱處理已經(jīng)不能滿(mǎn)足這一要求。熱噴涂技術(shù)在１９１２年被發(fā)明之后，作為一種新型的表面強(qiáng)化技術(shù)，是利用熱源將噴涂材料加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，高速?lài)娚洳⒊练e到經(jīng)過(guò)預(yù)處理的基體表面形成涂層的方法［４］。它具有噴涂材料廣泛（金屬、陶瓷、塑料、復(fù)合材料等）、基體材料和 尺 寸 不 受 限 制、基 體 受 熱 影 響 小 等 特點(diǎn)［５－６］。運(yùn)用熱噴涂技術(shù)，能夠在沖壓模具表面沉積一層耐磨涂層，來(lái)提高模具的使用壽命并且在正常壽命期內(nèi)更充分確保模具的精確度。雙絲電弧噴涂是一種傳統(tǒng)的噴涂技術(shù)，具有的運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低、附著效率高的特點(diǎn)［７］。新型的熱噴涂鐵基涂層由于特殊的非晶結(jié)構(gòu)，使它具有高硬度和優(yōu)良的耐腐蝕和抗磨損的特性［８－１０］。通過(guò)使用含硬質(zhì)顆粒粉芯絲材可以使得涂層的硬度和耐磨性再一次產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。Ｈｅ［１１］和Ｄａｌｌａｉｒｅ［１２］在他們的論文中寫(xiě)道，作為硬質(zhì)顆粒鑲嵌在電弧噴涂涂層中的碳化鎢和碳化鉻，能明顯地提高 涂 層 的 硬 度 和 抗 磨 性。 高 速 火 焰 噴 涂（ＨＶＯＦ）作為一種全新的噴涂工藝，具有火焰溫度低及速度高的特點(diǎn)，其速度一般能超過(guò)音速，所以又稱(chēng)之為超音速?lài)娡�。由于這一特征使通過(guò)高速火焰噴涂沉積的涂層，在微觀上具有非常低的孔隙率、顆粒氧化率、碳化鎢分解率的特點(diǎn)，在宏觀上具有超高的硬度和抗磨能力［１３－１４］。 文中使用電弧噴涂和高速火焰噴涂沉積抗磨損涂層，并優(yōu)化其參數(shù)，在保證高沉積效率的前提下制備高硬度、低孔隙率和低粗糙度的涂層，并使用銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)確定涂層的抗磨損性能。 摘要：為了提高沖壓模具的使用壽命，分別采用電弧噴涂工藝制備ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ耐磨涂層和高速火焰噴涂工藝制備ＷＣ－１２Ｃｏ耐磨涂層，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。由于電弧噴涂工藝受到較少參數(shù)的影響，而高速火焰噴涂工藝受到煤油流量、氫氣流量和氧氣比等十幾個(gè)參數(shù)的影響，所以?xún)?yōu)化過(guò)程采用單次單因子法的試驗(yàn)設(shè)計(jì)法。對(duì)微硬度、孔隙率、表面粗糙度及沉積效率等涂層性質(zhì)進(jìn)行研究，取得較好效果。其中高速火焰噴涂的ＷＣ－１２Ｃｏ涂層經(jīng)優(yōu)化后，硬度１５４７ＨＶ０．１，沉積效率３４．５％，孔隙率１．０％，粗糙度１．８４μｍ，與理論預(yù)期值非常接近。最后使用銷(xiāo)盤(pán)試驗(yàn)測(cè)試涂層耐磨性，結(jié)果表明電弧噴涂的ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ涂層使工件的抗磨性提高２個(gè)數(shù)量級(jí)，而高速火焰噴涂的ＷＣ－１２Ｃｏ涂層更使工件的抗磨性提高４個(gè)數(shù)量級(jí)。 關(guān)鍵詞：電弧噴涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/；高速火焰噴涂；單次單因子；試驗(yàn)設(shè)計(jì)法；磨損；熱噴涂粉末 �。薄≡囼�(yàn)材料與方法 １．１ 基材 由于銷(xiāo)盤(pán)摩擦磨損試驗(yàn)的需要，選用圓盤(pán)形（Φ４０ｍｍ × ６ｍｍ）４５鋼毛坯作為基材。為了確保涂層和基材間良好的機(jī)械咬合力，首先必須對(duì)基材進(jìn)行噴砂處理。對(duì)電弧噴涂和高速火焰噴涂使用的基材分別用Ｆ１４和Ｆ１００的剛玉進(jìn)行噴砂處理。使用不同顆粒度剛玉處理后的表面粗糙度Ｒａ分別為 （９．０±１．３）μｍ和 （１．４±０．４）μｍ。 �。保病‰p絲電弧噴涂 雙絲電弧噴涂使用德國(guó)Ｄｕｒｕｍ公司提供的ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ粉芯線(xiàn)材（Ｄｕｒｍａｔ�。粒樱福担埃�。該粉芯 線(xiàn) 材 質(zhì) 量 的５０％為 熔 融 碳 化 鎢 （ＦｕｓｅｄＴｕｎｇｓｔｅｎ�。茫幔颍猓椋洌�，ＦＴＣ）硬質(zhì)顆粒，其顆粒大小在２５～９０μｍ之間。表１中列出其具體化學(xué)成分。 噴涂設(shè)備采用瑞士Ｓｕｌｚｅｒ�。停澹簦悖锕荆粒颍悖校校浴。常担半p絲電弧噴涂系統(tǒng)。如圖１所示，線(xiàn)材由兩個(gè)分別接在正負(fù)極上銅制的導(dǎo)嘴引進(jìn)噴嘴內(nèi)。在高壓直流電的作用下，兩線(xiàn)材的接觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧火花。在電弧火花的高溫作用下融化的顆粒被高壓高速氣體（一級(jí)霧化氣體，ｐｒｉｍａｒｙａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ�。纾幔螅┩ㄟ^(guò)噴嘴孔向基體加速。在中心噴嘴的周?chē)鷮?duì)稱(chēng)分布了４個(gè)傾斜向前方中心聚攏的小孔。在這４個(gè)小孔中噴出的二級(jí)氣體（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ�。妫铮悖酰螅椋睿纭。纾幔螅⿲�(duì)熔融顆粒有聚集和再霧化的作用。 １．３ 高速火焰噴涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/ 高速火焰噴涂工藝采用Ｔｈｅｒｍｉｃｏ公司提供的ＣＪＳ－ＨＶＯＦ噴槍?zhuān)▓D２）作為噴涂設(shè)備。該噴槍具有兩級(jí)燃燒室：氫氧燃燒室和液體燃料燃燒室，分別作為熱能和動(dòng)能的來(lái)源，所以該噴槍具有可以獨(dú)立控制火焰速度和溫度的特點(diǎn)。經(jīng)過(guò)噴槍內(nèi)前后兩級(jí)拉瓦爾噴嘴的加速，火焰速度可以到達(dá)超音速的狀態(tài)。噴涂熱噴涂粉末在第二級(jí)拉瓦爾噴嘴的后端軸向注入，在這個(gè)區(qū)域燃燒已經(jīng)基本結(jié)束，所以熱噴涂粉末不會(huì)被加熱到很高的溫度，而在接下來(lái)的噴管中被加速到非常高的速度［１５］。 為了能生成致密涂層結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)采用德國(guó)Ｔｈｅｒｍｉｃｏ公司提供的超細(xì)燒結(jié)破碎ＷＣ－１２Ｃｏ熱噴涂粉末（ＳＪＡ�。叮保埃矗浮。薄甫蹋恚�。由于該超細(xì)熱噴涂粉末顆粒的比重非常小，因此其運(yùn)動(dòng)慣量也非常低。其次該熱噴涂粉末具有尖銳的邊角，所以它的流動(dòng)性和可供性都非常差。再次微小熱噴涂粉末顆粒具有巨大表面能量，容易凝聚在一起，會(huì)導(dǎo)致供粉管道堵塞。 所以系統(tǒng)特別采用了德國(guó)Ｔｈｅｒｍｉｃｏ公司的ＣＰＦ送粉器。該送粉器底部配置了一個(gè)震動(dòng)器。整個(gè)容器在送粉時(shí)會(huì)一起震動(dòng)。這樣熱噴涂粉末顆粒不會(huì)凝聚在一起，并會(huì)順著傾斜的底部流動(dòng)，通過(guò)送粉孔進(jìn)入管道。 �。保础⊥繉有阅苎芯� 使用加拿大Ｔｅｃｎａｒ公司的Ａｃｃｕｒａｓｐｒａｙ�。纾硿y(cè)定飛行顆粒的速度和溫度，使用德國(guó)Ｈｏｍｍｅｌ公司的Ｔ－１０００粗糙度儀測(cè)量涂層粗糙度，涂層硬度由德國(guó)ＬＥＣＯ公司Ｍ－４００顯微硬度儀來(lái)測(cè)得。涂層的沉積效率是以試件質(zhì)量增加量除以噴槍經(jīng)過(guò)基材的相應(yīng)時(shí)間內(nèi)實(shí)際耗材量計(jì)算出。為了估算涂層冷卻后產(chǎn)生的熱殘余應(yīng)力，試驗(yàn)中還使用德國(guó)ＮＥＴＺＳＣＨ公司的４０２Ｅ熱膨脹儀測(cè)試了涂層和基體的熱 膨 脹 系 數(shù)。試件為長(zhǎng)２５ｍｍ、寬３ｍｍ、厚２ｍｍ的純涂層材料或純基體材料。 摩擦磨損試驗(yàn)是在銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)（瑞士ＣＳＥＭ公司ＣＨ－２０００）上進(jìn)行的。為了避免涂層粗糙度對(duì)試驗(yàn)的影響，涂層必須先旋轉(zhuǎn)磨臺(tái)上磨光。經(jīng)磨光后涂層粗燥度Ｒｚ需控制在０．２μｍ以下。 磨 損 試 驗(yàn) 使 用 氧 化 鋁 珠 和 不 銹 鋼 珠（１００Ｃｒ６）作為摩擦副。摩擦珠以１０Ｎ的正向壓力和０．４ｍ／ｓ的相對(duì)速度分別在半徑為１８、２４和３０ｍｍ的軌道上跑１２萬(wàn)圈。磨損試驗(yàn)后產(chǎn)生的磨損量使用三維輪廓測(cè)量?jī)x（奧地利Ａｌｉｃｏｎａ公司的Ｉｎｆｉｎｉｔｅ�。疲铮悖酰螅y(cè)量。磨損系數(shù)按以下公式計(jì)算： 磨損系數(shù)＝磨損體積（ｍｍ３）壓力（Ｎ）·π·直徑（ｍ）·圈數(shù) 實(shí)驗(yàn)結(jié)果略 �。场〗Y(jié)論 �。ǎ保┯捎陔娀娡抗に囅鄬�(duì)簡(jiǎn)單，主要只受４個(gè)的參數(shù)影響，數(shù)量較少，所以在試驗(yàn)中采用單次單因子法很快就能找到最優(yōu)參數(shù)，制備成致密和高硬度的涂層。 （２）高速火焰噴涂工藝非常復(fù)雜，受到不同的燃料量、氧氣供給比等十個(gè)參數(shù)的影響。如果使用傳統(tǒng)的單次單因子法，試驗(yàn)數(shù)量將非常龐大。因此必須采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)法而減少試驗(yàn)數(shù)量，逐級(jí)篩選重要參數(shù)，最后在幾個(gè)少數(shù)的重要參數(shù)中算出參數(shù)與性能間的關(guān)系式，并找出最優(yōu)參數(shù)的位置和對(duì)應(yīng)的最優(yōu)性能。 �。ǎ常┕に噮�(shù)最優(yōu)化后，涂層的耐磨程度進(jìn)行了研究和試驗(yàn)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，昂貴的高速火焰噴涂以及其高價(jià)的微細(xì)ＷＣ－１２Ｃｏ熱噴涂粉末，能使模具的抗磨損性能得到４個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。同時(shí)廉價(jià)的電弧噴涂沉積的ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ涂層也能使抗磨性得到２個(gè)數(shù)量級(jí)的提升。但是由于ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ中存在著巨大的ＦＴＣ顆粒，會(huì)在摩擦副上產(chǎn)生一定量的微切削磨損。在噴涂參數(shù)的優(yōu)化后，下一步工作是將兩種涂層應(yīng)用到?jīng)_壓模具上。使用大量重復(fù)的沖壓試驗(yàn)來(lái)繼續(xù)驗(yàn)證涂層的抗磨性能，并研究在高強(qiáng)度條件下涂層剝落和形成裂痕等涂層失效問(wèn)題。 圖略 參考文獻(xiàn)略 網(wǎng)址：http://www.sunspraying.com/ |
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