冲压模具热喷涂涂层的优化
（德）沃尔夫冈·铁尔曼，（德）罗蔚峰，（德）音果·鲍曼等
中国表面工程
引言：由于能源危机和环境污染的问题日趋严重，各汽车制造厂家越来越倾向于运用新技术，制造更轻、更省油和更低排放的车辆。在欧洲，欧盟一直严格控制并持续减少汽车的二氧化碳排放量。例如，在德国小轿车二氧化碳界限将从２０１２年的１１０ｇ／ｋｍ降低到２０２０年的８０ｇ／ｋｍ［１］。
另外原油价格在过去十年中更是“突飞猛进”，从２００２到２０１２年涨了将近１００美元／桶［２］。在这种形势下，各汽车厂商纷纷采用各种新型材料，比如使用高强度钢板、铝镁合金、纤维增强塑料来降低车身重量来达到降低油耗及排放的目的。由于价格的原因，目前轻量化的高强度钢板最受各汽车厂商青睐［３］。在对高强度钢板的冲压过程中，对冲压模具的抗磨损性能的要求也相应提高，而传统的热处理已经不能满足这一要求。热喷涂技术在１９１２年被发明之后，作为一种新型的表面强化技术，是利用热源将喷涂材料加热至熔化或半熔化状态，高速喷射并沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法［４］。它具有喷涂材料广泛（金属、陶瓷、塑料、复合材料等）、基体材料和 尺 寸 不 受 限 制、基 体 受 热 影 响 小 等 特点［５－６］。运用热喷涂技术，能够在冲压模具表面沉积一层耐磨涂层，来提高模具的使用寿命并且在正常寿命期内更充分确保模具的精确度。双丝电弧喷涂是一种传统的喷涂技术，具有的运营费用低、附着效率高的特点［７］。新型的热喷涂铁基涂层由于特殊的非晶结构，使它具有高硬度和优良的耐腐蚀和抗磨损的特性［８－１０］。通过使用含硬质颗粒粉芯丝材可以使得涂层的硬度和耐磨性再一次产生质的飞跃。Ｈｅ［１１］和Ｄａｌｌａｉｒｅ［１２］在他们的论文中写道，作为硬质颗粒镶嵌在电弧喷涂涂层中的碳化钨和碳化铬，能明显地提高 涂 层 的 硬 度 和 抗 磨 性。 高 速 火 焰 喷 涂（ＨＶＯＦ）作为一种全新的喷涂工艺，具有火焰温度低及速度高的特点，其速度一般能超过音速，所以又称之为超音速喷涂。由于这一特征使通过高速火焰喷涂沉积的涂层，在微观上具有非常低的孔隙率、颗粒氧化率、碳化钨分解率的特点，在宏观上具有超高的硬度和抗磨能力［１３－１４］。
文中使用电弧喷涂和高速火焰喷涂沉积抗磨损涂层，并优化其参数，在保证高沉积效率的前提下制备高硬度、低孔隙率和低粗糙度的涂层，并使用销盘试验确定涂层的抗磨损性能。
摘要：为了提高冲压模具的使用寿命，分别采用电弧喷涂工艺制备ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ耐磨涂层和高速火焰喷涂工艺制备ＷＣ－１２Ｃｏ耐磨涂层，并对其参数进行优化。由于电弧喷涂工艺受到较少参数的影响，而高速火焰喷涂工艺受到煤油流量、氢气流量和氧气比等十几个参数的影响，所以优化过程采用单次单因子法的试验设计法。对微硬度、孔隙率、表面粗糙度及沉积效率等涂层性质进行研究，取得较好效果。其中高速火焰喷涂的ＷＣ－１２Ｃｏ涂层经优化后，硬度１５４７ＨＶ０．１，沉积效率３４．５％，孔隙率１．０％，粗糙度１．８４μｍ，与理论预期值非常接近。最后使用销盘试验测试涂层耐磨性，结果表明电弧喷涂的ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ涂层使工件的抗磨性提高２个数量级，而高速火焰喷涂的ＷＣ－１２Ｃｏ涂层更使工件的抗磨性提高４个数量级。
关键词：电弧喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/；高速火焰喷涂；单次单因子；试验设计法；磨损；热喷涂粉末
１ 试验材料与方法
１．１ 基材
由于销盘摩擦磨损试验的需要，选用圆盘形（Φ４０ｍｍ × ６ｍｍ）４５钢毛坯作为基材。为了确保涂层和基材间良好的机械咬合力，首先必须对基材进行喷砂处理。对电弧喷涂和高速火焰喷涂使用的基材分别用Ｆ１４和Ｆ１００的刚玉进行喷砂处理。使用不同颗粒度刚玉处理后的表面粗糙度Ｒａ分别为 （９．０±１．３）μｍ和 （１．４±０．４）μｍ。
１．２ 双丝电弧喷涂
双丝电弧喷涂使用德国Ｄｕｒｕｍ公司提供的ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ粉芯线材（Ｄｕｒｍａｔ ＡＳ－８５０）。该粉芯 线 材 质 量 的５０％为 熔 融 碳 化 钨 （ＦｕｓｅｄＴｕｎｇｓｔｅｎ Ｃａｒｂｉｄｅ，ＦＴＣ）硬质颗粒，其颗粒大小在２５～９０μｍ之间。表１中列出其具体化学成分。
喷涂设备采用瑞士Ｓｕｌｚｅｒ Ｍｅｔｃｏ公司ＡｒｃＰＰＴ ３５０双丝电弧喷涂系统。如图１所示，线材由两个分别接在正负极上铜制的导嘴引进喷嘴内。在高压直流电的作用下，两线材的接触点间产生电弧火花。在电弧火花的高温作用下融化的颗粒被高压高速气体（一级雾化气体，ｐｒｉｍａｒｙａｔｏｍｉｚａｔｉｏｎ ｇａｓ）通过喷嘴孔向基体加速。在中心喷嘴的周围对称分布了４个倾斜向前方中心聚拢的小孔。在这４个小孔中喷出的二级气体（ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｆｏｃｕｓｉｎｇ ｇａｓ）对熔融颗粒有聚集和再雾化的作用。
１．３ 高速火焰喷涂http://www.sunspraying.com/kepuyuandi/
高速火焰喷涂工艺采用Ｔｈｅｒｍｉｃｏ公司提供的ＣＪＳ－ＨＶＯＦ喷枪（图２）作为喷涂设备。该喷枪具有两级燃烧室：氢氧燃烧室和液体燃料燃烧室，分别作为热能和动能的来源，所以该喷枪具有可以独立控制火焰速度和温度的特点。经过喷枪内前后两级拉瓦尔喷嘴的加速，火焰速度可以到达超音速的状态。喷涂热喷涂粉末在第二级拉瓦尔喷嘴的后端轴向注入，在这个区域燃烧已经基本结束，所以热喷涂粉末不会被加热到很高的温度，而在接下来的喷管中被加速到非常高的速度［１５］。
为了能生成致密涂层结构，试验采用德国Ｔｈｅｒｍｉｃｏ公司提供的超细烧结破碎ＷＣ－１２Ｃｏ热喷涂粉末（ＳＪＡ ６１０／４８ １～８μｍ）。由于该超细热喷涂粉末颗粒的比重非常小，因此其运动惯量也非常低。其次该热喷涂粉末具有尖锐的边角，所以它的流动性和可供性都非常差。再次微小热喷涂粉末颗粒具有巨大表面能量，容易凝聚在一起，会导致供粉管道堵塞。
所以系统特别采用了德国Ｔｈｅｒｍｉｃｏ公司的ＣＰＦ送粉器。该送粉器底部配置了一个震动器。整个容器在送粉时会一起震动。这样热喷涂粉末颗粒不会凝聚在一起，并会顺着倾斜的底部流动，通过送粉孔进入管道。
１．４ 涂层性能研究
使用加拿大Ｔｅｃｎａｒ公司的Ａｃｃｕｒａｓｐｒａｙ ｇ３测定飞行颗粒的速度和温度，使用德国Ｈｏｍｍｅｌ公司的Ｔ－１０００粗糙度仪测量涂层粗糙度，涂层硬度由德国ＬＥＣＯ公司Ｍ－４００显微硬度仪来测得。涂层的沉积效率是以试件质量增加量除以喷枪经过基材的相应时间内实际耗材量计算出。为了估算涂层冷却后产生的热残余应力，试验中还使用德国ＮＥＴＺＳＣＨ公司的４０２Ｅ热膨胀仪测试了涂层和基体的热 膨 胀 系 数。试件为长２５ｍｍ、宽３ｍｍ、厚２ｍｍ的纯涂层材料或纯基体材料。
摩擦磨损试验是在销盘式摩擦磨损试验机（瑞士ＣＳＥＭ公司ＣＨ－２０００）上进行的。为了避免涂层粗糙度对试验的影响，涂层必须先旋转磨台上磨光。经磨光后涂层粗燥度Ｒｚ需控制在０．２μｍ以下。
磨 损 试 验 使 用 氧 化 铝 珠 和 不 锈 钢 珠（１００Ｃｒ６）作为摩擦副。摩擦珠以１０Ｎ的正向压力和０．４ｍ／ｓ的相对速度分别在半径为１８、２４和３０ｍｍ的轨道上跑１２万圈。磨损试验后产生的磨损量使用三维轮廓测量仪（奥地利Ａｌｉｃｏｎａ公司的Ｉｎｆｉｎｉｔｅ Ｆｏｃｕｓ）测量。磨损系数按以下公式计算：
磨损系数＝磨损体积（ｍｍ３）压力（Ｎ）·π·直径（ｍ）·圈数
实验结果略
３ 结论
（１）由于电弧喷涂工艺相对简单，主要只受４个的参数影响，数量较少，所以在试验中采用单次单因子法很快就能找到最优参数，制备成致密和高硬度的涂层。
（２）高速火焰喷涂工艺非常复杂，受到不同的燃料量、氧气供给比等十个参数的影响。如果使用传统的单次单因子法，试验数量将非常庞大。因此必须采用试验设计法而减少试验数量，逐级筛选重要参数，最后在几个少数的重要参数中算出参数与性能间的关系式，并找出最优参数的位置和对应的最优性能。
（３）工艺参数最优化后，涂层的耐磨程度进行了研究和试验。试验数据表明，昂贵的高速火焰喷涂以及其高价的微细ＷＣ－１２Ｃｏ热喷涂粉末，能使模具的抗磨损性能得到４个数量级的提高。同时廉价的电弧喷涂沉积的ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ涂层也能使抗磨性得到２个数量级的提升。但是由于ＦＴＣ－ＦｅＣＳｉＭｎ中存在着巨大的ＦＴＣ颗粒，会在摩擦副上产生一定量的微切削磨损。在喷涂参数的优化后，下一步工作是将两种涂层应用到冲压模具上。使用大量重复的冲压试验来继续验证涂层的抗磨性能，并研究在高强度条件下涂层剥落和形成裂痕等涂层失效问题。
图略
参考文献略
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