梁洪舟

（隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 隨州 441300）

Cu-3Cr13偽合金涂層的試驗(yàn)研究

梁洪舟

（隨州職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車與機(jī)電工程學(xué)院，湖北 隨州 441300）

本文為研究電弧噴涂中不同工藝參數(shù)對(duì)Cu-3Cr13偽合金涂層的組織和性能的影響，以石膏為基材，在不同的噴涂電流、電壓和距離參數(shù)下制備偽合金涂層。分析噴涂電流、電壓和距離對(duì)該涂層的硬度、孔隙率以及耐磨性能的影響，探索出電弧噴涂Cu-3Cr13偽合金涂層的最佳工藝參數(shù)和該涂層在快速制模中的應(yīng)用前景。

電弧噴涂；工藝參數(shù)；涂層；性能

1 課題背景及意義

電弧噴涂制模技術(shù)是典型的增材料制造技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于快速模具制造和模具零件修復(fù)領(lǐng)域，在現(xiàn)代模具生產(chǎn)短周期、小批量的背景下，具有傳統(tǒng)模具不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

表1 基于RP&M原型快速制作模具與傳統(tǒng)機(jī)加工法制作模具的比較

2 目標(biāo)及主要工作內(nèi)容

本課題研究Cu-3Cr13偽合金涂層的性質(zhì)。純Cu熔化溫度為1 083℃，3Cr13的熔點(diǎn)1 520～1 540℃，兩者均為高熔點(diǎn)金屬。涂層由在石膏基體表面電弧噴涂制得。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中對(duì)噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層的形成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究及分析，最后綜合分析評(píng)估得到制備涂層的最佳工藝參數(shù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)方案

Cu-3Cr涂層的機(jī)械性能較好，但噴涂時(shí)涂層的收縮率、熱應(yīng)力導(dǎo)致涂層很容易開裂、變脆，給制模工藝帶來(lái)困難。涂層的主要性能參數(shù)即硬度、孔隙率和微粒尺寸都受霧化氣壓P、噴涂距離L、噴涂電流I、噴涂電壓U、單位面積噴涂時(shí)間T等工藝參數(shù)的影響。本次研究固定單位面積噴涂時(shí)間且噴涂霧化壓力固定為0.5Mpa，通過(guò)改變其它不同參數(shù)對(duì)所制備的涂層性能指標(biāo)采用正交實(shí)驗(yàn)的水平因素表（見(jiàn)表2）進(jìn)行研究。

表2 正交實(shí)驗(yàn)水平因素表

2.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在固定單位面積噴涂時(shí)間以及噴涂霧化壓力為0.5Mpa的前提下，據(jù)水平因素表在150×80mm的石膏表面噴涂制得2～3mm厚的涂層，經(jīng)綜合評(píng)估以得到最佳工藝參數(shù)并驗(yàn)證Cu-3Cr13涂層快速制作模具的可行性。石膏樣的制備按水固比（質(zhì)量比）1：0.6～0.65；待凝固后再加熱固化。考慮到石膏的導(dǎo)熱性差，按加熱到100℃保持100分鐘后再加熱到200℃并保持200分鐘以均勻固化石膏。

3 涂層性質(zhì)

3.1 硬度值

據(jù)正交實(shí)驗(yàn)方案制備9組石膏基體上噴涂的Cu-3Cr13涂層，制備金相后在MH-5型金相顯微硬度計(jì)上所測(cè)得其截面硬度、平面硬度數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表3。

表3 涂層硬度值/HV

3.2 孔隙率

在IS-100A型金相圖象分析系統(tǒng)中所測(cè)各涂層平面、截面孔隙見(jiàn)表4。

表4 涂層孔隙率%

3.3 涂層耐磨性能

涂層耐磨性能是在MPX-2000型磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)上按每磨損30秒的質(zhì)量減少量來(lái)進(jìn)行比較，各組涂層的耐磨性能對(duì)比見(jiàn)表5。

表5 涂層耐磨性能對(duì)比

4 綜合分析與評(píng)估

經(jīng)過(guò)處理后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與工藝參數(shù)建立研究Cu-3Cr13涂層性能的正交分析表（見(jiàn)表6），對(duì)涂層各性能指標(biāo)與相應(yīng)的工藝參數(shù)進(jìn)行分析研究來(lái)獲得最優(yōu)水平因素。

對(duì)于用來(lái)制作模具型腔的Cu-3Cr13涂層來(lái)說(shuō)，涂層的平面硬度是要承受載荷的。因此，電弧噴涂工藝參數(shù)對(duì)涂層平面硬度的影響是主要的。

表6 Cu-3Cr13涂層性能分析正交表

4.1水平因素分析

表7表明對(duì)于因素A即電壓為34V時(shí)涂層平面硬度最高；對(duì)于因素B即電流為120A時(shí)涂層平面硬度高；對(duì)于因素C即距離為250mm時(shí)涂層平面硬度高。又RA=83.2，RB=56.3，RC= 113.4，即RC＞RA＞RB，所以因素C是主要因素。

表7 工藝參數(shù)對(duì)平面硬度的綜合影響

表8表明截面硬度較高的因素水平為AⅡBⅠCⅢ，又RA= 43.7，RB=37.4，RC=14.7，即RA＞RB＞RC，噴涂電壓是影響涂層截面硬度的主要因素。

表8 工藝參數(shù)對(duì)截面硬度的綜合影響

表9表明涂層平面孔隙率較低的因素水平為AⅠBⅡCⅠ，而RA=12.32，RB=5.00，RC=4.48，即RA＞RB＞RC，噴涂電壓是影響涂層平面孔隙率的主要因素。

表9 工藝參數(shù)對(duì)平面孔隙率%的綜合影響

表10表明涂層在30秒內(nèi)磨損量較低的是AⅡ(Ⅲ)BⅡCⅢ，其中RA=3.4，RB=2.3，RC=3.4，即噴涂電壓與噴涂距離對(duì)涂層的影響比噴涂電流的影響大，主次因素為ACB或CAB。

表10 工藝參數(shù)對(duì)涂層耐磨性能的綜合影響/mg

4.2 最優(yōu)水平組合

根據(jù)因素水平的分析，不僅各水平不同時(shí)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)均不系統(tǒng)，而且各實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的主次因素也不一樣（見(jiàn)表11）。

表11 工藝參數(shù)對(duì)涂層性能的影響

按因素主次以及其所影響的涂層的性能，綜合考慮涂層作為制作模具的材料的特殊性，確定Cu-3Cr13涂層的工藝參數(shù)最優(yōu)水平組合為AⅡBⅠCⅢ即U=34V、A=120A、L=250mm。

5 結(jié)論

本次實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論：Cu-3Cr13偽合金涂層的噴涂工藝參數(shù)最優(yōu)水平組合為AⅡBⅠCⅢ，此時(shí)涂層的平面硬度最高，耐磨性能較好，但孔隙率較高。單獨(dú)噴涂Cu-3Cr13偽合金涂層作為模具型腔是可行的。

[1]王廣春，趙國(guó)群.快速成型與快速模具制造技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.1.

[2]鄧明.現(xiàn)代模具制造技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.8.

[3]快速經(jīng)濟(jì)制模技術(shù).中國(guó)輕工具模具網(wǎng).http://www. mouldscity.net.

TG172

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1003-5168(2014)03-0081-02