吳華英，李玉強(qiáng)，王智，魏潤強(qiáng)

（西安交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

0 引言

模具是汽車工業(yè)的基礎(chǔ)工藝裝備，在新車型的開發(fā)中，90%的工作量都是圍繞車身型面的改變而進(jìn)行的，60%的開發(fā)費用于車身和沖壓工藝及裝備的開發(fā)[1]。車身覆蓋件所用模具制造困難、成本高、周期長，已經(jīng)成為汽車行業(yè)的一大問題，難以滿足快速變化的市場競爭需要。而電弧噴涂快速制模技術(shù)是指在壓縮空氣的作用下，將高溫電弧熔化的金屬熔滴霧化成金屬微粒，并以一定的速度噴射到母模基體表面上，相互疊加堆積而形成高密度、高結(jié)合強(qiáng)度的金屬噴涂層，以其作為模具型腔的殼體，并在背后進(jìn)行增強(qiáng)加固，形成快速模具，與傳統(tǒng)的覆蓋件鋼模具相比，節(jié)約了大量金屬材料，成本低，周期短。

國內(nèi)外對噴涂快速模具進(jìn)行了系列研究，國內(nèi)西安交通大學(xué)一直走在前列，其中機(jī)械學(xué)院一直致力于金屬電弧噴涂快速模具的研究[2-12]，以汽車覆蓋件制造為應(yīng)用對象，進(jìn)行了噴涂模具材料性能分析、涂層缺陷產(chǎn)生機(jī)理及控制、噴涂母模試驗及面向覆蓋件的智能噴涂設(shè)備研制等一系列工作，并證明了電弧噴涂模具可以沖制出覆蓋件，所用材料多為中低熔點金屬和合金材料[13]，但這種材料的強(qiáng)度有限，使用壽命較低，生產(chǎn)批量小。高熔點材料涂層的機(jī)械性能好，但由于噴涂時，涂層收縮率、熱應(yīng)力、孔隙率都比較大[14]，因而涂層容易氧化、開裂、變形，涂層制備困難，國內(nèi)應(yīng)用較少。針對高熔點噴涂，P.S.Grant等研究發(fā)現(xiàn)，在加設(shè)在線母模溫控裝置情況下，通過材料組織相變可以消除殘余應(yīng)力[15]，并噴涂成功了15mm厚800×600mm的T8鋼殼，在經(jīng)過背襯加強(qiáng)后，利用電弧噴涂模具成功生產(chǎn)了十萬件產(chǎn)品。東京大學(xué)和日產(chǎn)汽車公司的噴涂制模法采用不銹鋼作為噴涂材料，制得的不銹鋼模具已用于數(shù)萬至20多萬件的轎車覆蓋件成形。福特公司2002年利用噴涂制模作出沖壓模具，沖壓出Ford Fiesta的車門鉸鏈，模具壽命達(dá)到5萬件以上[16]。但這些公司工程應(yīng)用技術(shù)難點的攻破，未有公開的刊物可以查得。

高熔點電弧噴涂技術(shù)研究目前更多集中于提高材料表面性能，如利用FeNiCrAl復(fù)合涂層進(jìn)行涂層耐磨性的研究[3,4]，NiCrBSi涂層在垃圾焚燒電廠的抗高溫氯腐蝕研究[17]，Inconel625涂層的抗腐蝕性研究[18]，Mo、Cr元素等對涂層的性能影響[19]，采用電弧噴涂3Cr13的方法提高ITER極向場線圈銷軸耐磨性能[20],通過FeAlCr/3Cr13復(fù)合涂層的高速電弧噴涂，進(jìn)行曲軸再制造，提高其使用耐磨性[21]。李長久指出，熱噴涂涂層技術(shù)應(yīng)用所面臨的關(guān)鍵問題是：針對特定的服役條件所要求的服役性能，需要通過噴涂材料與方法的選擇，通過工藝優(yōu)化制備具有滿足服役要求的組織結(jié)構(gòu)與性能的涂層[22]，因而用于表面處理的噴涂工藝參數(shù)未必適合于噴涂快速模具。

基于覆蓋件成形的噴涂快速模具，首先需要保證涂層較好的噴覆在母模表面，加工后型殼無裂紋、脫層、孔洞等缺陷，根據(jù)模具涂層高硬度耐磨損的服役需求，靈活地制備高表面質(zhì)量涂層，為熱噴涂技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵[22]?？紤]到工程應(yīng)用的低成本需求，本文選用價價低性優(yōu)的3Cr13作為快速模具噴涂層材料。雖然劉峰等研究了電弧噴涂工藝參數(shù)對 3Cr13 涂層耐磨性與孔隙率的影響[23]，但該項研究未考慮快速模具應(yīng)用的服役需求。本文將進(jìn)行高熔點材料噴涂工藝探討，結(jié)合覆蓋件成形對模具需求和涂層微觀表現(xiàn)進(jìn)行分析，確定高壽命噴涂快速模具的涂層材料及工藝參數(shù)，實現(xiàn)其工程應(yīng)用。

1 正交實驗設(shè)計

覆蓋件模具一般型面復(fù)雜，需要噴槍噴涂過程中進(jìn)行多角度變換以保證盡量法向噴涂，實現(xiàn)涂層的均勻性，因而噴涂距離對涂層質(zhì)量影響非常關(guān)鍵。影響涂層性能的主要工藝參數(shù)還包括：噴涂電流、噴涂電壓、霧化氣壓、噴槍移動速度、噴涂角度、基體預(yù)熱溫度等，其中噴涂電流隨著噴涂送絲電壓和噴涂電壓的調(diào)節(jié)而變化，相互之間具有耦合關(guān)系?？紤]到設(shè)備情況，本文將噴涂角度固定為90°，噴槍移動速度基于設(shè)備情況定為200mm/s，霧化氣體壓力為0.55MPa。為了獲得優(yōu)化參數(shù)組合，本文采用正交實驗法進(jìn)行3Cr13噴涂工藝敏感性影響分析，以噴涂距離、送絲電壓、噴涂電壓及基體溫度作為正交實驗因素，每個因素分別選取3個水平。根據(jù)L9(34)正交表，建立正交設(shè)計方案（見表1），并以此數(shù)據(jù)進(jìn)行噴涂。

圖1 AS-600噴涂機(jī)Fig.1 AS-600 sprayer

為了便捷獲得涂層測試樣件，進(jìn)行涂層密度、孔隙率、組織及顯微硬度的測定，本文以HT300作為基材進(jìn)行實驗。所選用3Cr13 的化學(xué)成分及力學(xué)性能見表2，物理性能參數(shù)見表3。電弧噴涂系統(tǒng)為上海瑞法產(chǎn)QD8-D 型電弧噴涂系統(tǒng)，噴涂裝備為西安交通大學(xué)先進(jìn)制造研究所研制的 AS-600 型金屬電弧噴涂機(jī)器人（如圖1所示），分析測試儀器為 Everon 顯微維氏硬度計 MH-5、分析天平和VH-Z100R 型顯微鏡。

表1 3Cr13涂層噴涂工藝參數(shù)正交設(shè)計實驗方案Table1 Experimental scheme of orthogonal design for spraying process parameters of 3Cr13 coating

表2 馬氏體不銹鋼3Cr13的化學(xué)成分及力學(xué)性能Table2 Chemical composition and mechanical properties of martensitic stainless steel 3Cr13

表3 馬氏體不銹鋼 3Cr13 的物理性能參數(shù)Table3 Physical property parameters of martensitic stainless steel 3Cr13

2 實驗數(shù)據(jù)分析

噴涂3Cr13時，金屬粒子束流較集中，涂層原始外觀呈灰黑色。將噴涂后的涂層型殼烘干，切成數(shù)十個10mm×10mm×1mm大小的試樣，測試涂層厚度、密度、孔隙率及維氏硬度（結(jié)果見表4）。

表4 涂層性能實驗結(jié)果Table4 Coating performance test results

對表4實驗數(shù)據(jù)處理，分別得到各水平對涂層單層涂層厚度、孔隙率和硬度的影響（見表5、表6、表7），針對每個指標(biāo)，將其各個因素的較優(yōu)水平按主次順序排列可得，單層涂層厚度：B1、A3、D1、C3；孔隙率：D1、B3、C3、A2；硬度：C2、A2、D3、B1。對于覆蓋件快速模具而言，模具的表面質(zhì)量更重要，板料在成形過程中表面不能出現(xiàn)損傷，這就說明對噴涂模具而言，涂層表面首先不能有任何缺陷產(chǎn)生，層厚盡量均勻，要求涂層結(jié)合強(qiáng)度高，不易脫層，變形量小，噴涂穩(wěn)定，涂層結(jié)構(gòu)均勻；板料成形時，模具主要承受壓應(yīng)力，減少孔隙率可提高涂層的抗壓能力；板料的成形流動對涂層產(chǎn)生的摩擦磨損，可通過涂覆潤滑油進(jìn)行改善，而涂層表面若有極微細(xì)孔進(jìn)行油脂儲存，反而對成形有利，因此涂層內(nèi)部孔隙率越小越好，表面可適當(dāng)有部分孔隙存在。根據(jù)快速模具所需的涂層服役條件，結(jié)合每個因素出現(xiàn)頻次分析，因素A影響粒子到達(dá)基體時的固液相狀態(tài)，從涂層強(qiáng)度考慮選取較優(yōu)水平A2，因素B控制送絲速度，涂層硬度對涂層性能影響很大，兼顧噴涂的穩(wěn)定性，考慮選取較優(yōu)水平B1，從電弧穩(wěn)定性和節(jié)省能量的角度考慮，因素C選擇較優(yōu)水平C2，因素D對涂層孔隙率和硬度的影響不一樣，但硬度對涂層更為重要，故選擇較優(yōu)水平D3。綜合分析可得較優(yōu)噴涂工藝參數(shù)為A2、B3、C2、D3（即噴涂距離230mm，送絲電壓8V，噴涂電壓32V，基體溫度300℃）。

表5 噴涂工藝參數(shù)對單層涂層厚度的影響Table5 Effect of spraying process parameters on thickness of single layer coating

表6 噴涂工藝參數(shù)對涂層孔隙率的影響Table6 Effect of spraying process parameters on coating porosity

表7 噴涂工藝參數(shù)對涂層硬度的影響Table7 Effect of spraying process parameters on coating hardness

3 實驗涂層形貌觀察及分析

利用VH-Z100R 型顯微鏡，將3Cr13涂層放大1000倍進(jìn)行多點顯微形貌觀察（見圖2和圖3），并取具代表性圖片展示，根據(jù)涂層內(nèi)部金屬相均勻性及孔隙分布，確認(rèn)作為模具涂層表面均質(zhì)的可能性。觀察發(fā)現(xiàn)涂層由粗大空洞和微小孔隙組成，空洞和孔隙會影響涂層的致密性，但當(dāng)涂層表面微細(xì)孔隙均質(zhì)存在時，可對板料成形過程中的潤滑油脂進(jìn)行儲存，減小涂層受到的磨損，因而對于噴涂模具而言，應(yīng)盡量避免大的孔洞存在。兩圖中亮白及灰色相組成主要為Fe、Cr相及其氧化物，黑色部分為孔隙，主要觀察黑色部分孔隙狀況。圖2是噴涂平面涂層放大1000倍的顯微形貌，涂層是由熔滴堆積而成，涂層內(nèi)的孔隙尺寸并不均勻，大的可達(dá)50μm，并且可以觀察到涂層試樣2與7孔隙率較高，與實測結(jié)果相符。圖3是噴涂橫截面涂層放大1000倍的顯微形貌，涂層呈現(xiàn)明顯的層狀結(jié)構(gòu)，但并非全部連續(xù)，且孔隙出現(xiàn)在斷面不同位置，熔融液滴的勾嵌咬合處更可能出現(xiàn)孔隙；試樣3、6截面致密度較高，對于板料成形的抗壓能力更強(qiáng)，利于提高模具的使用壽命。9個試樣中，試樣4單層厚度最小，使材料在噴涂過程中更易保證溫降的均勻性，也使噴涂粒子在高速沖擊下延展更充分，獲得較為均勻的孔隙分布。試樣4孔隙率在幾個試樣中并非最小，但其所測得的平均硬度卻較高，適合作為噴涂模具的涂層。這些說明較低的層厚對模具涂層的制備，是有利的。

利用優(yōu)化的噴涂工藝參數(shù)進(jìn)行噴涂，獲得了HRC40，孔隙率在6.8%的涂層，通過SEM對涂層微觀形貌進(jìn)行觀察可以看到，涂層孔隙含量較少，且分布均勻，涂層速冷后的微晶組織，使得涂層性能整體有了提高（見圖4），可見參數(shù)優(yōu)化結(jié)果起到了明顯作用。利用該參數(shù)進(jìn)行總厚3mm涂層噴涂模具的制造，獲得了較好的涂層表面，并沖制出了需要的合格零件（見圖5）。對于低熔點噴涂模具而言，硬度僅有HB120左右，一般沖壓幾件后就會出現(xiàn)凸圓角過度光亮的磨損特征（見圖6(a)），且還有涂層脫落風(fēng)險，影響產(chǎn)品制件精度；但3Cr13噴涂模具在經(jīng)過30件的沖壓后，模具表面凸圓角無明顯變化（見圖6(b)），壽命得到了很大的提高，故該噴涂工藝參數(shù)在噴涂模具服役條件下，是完全可行可用的。

圖2 3Cr13不銹鋼涂層表面光學(xué)顯微形貌：(a)試樣1#；(b)試樣2#；(c)試樣3#；(d)試樣4#；(e)試樣5#；(f)試樣6#；(g)試樣7#；(h)試樣8#；(i)試樣9#Fig.2 Optical micrograph of 3Cr13 stainless steel coating surface: (a) sample 1,(b) sample 2,(c) sample 3,(d) sample 4,(e) sample 5,(f) sample 6,(g) sample 7,(h) sample 8,(i) sample 9#

圖3 3Cr13不銹鋼涂層斷面光學(xué)顯微形貌：(a)試樣1#；(b)試樣2#；(c)試樣3#；(d)試樣4#；(e)試樣5#；(f)試樣6#；(g)試樣7#；(h)試樣8#；(i)試樣9#Fig.3 Optical micrograph of 3Cr13 stainless steel coating section: (a) sample 1,(b) sample 2,(c) sample 3,(d) sample 4,(e) sample 5,(f) sample 6,(g) sample 7,(h) sample 8,(i) sample 9#

圖4 不銹鋼涂層SEM顯微形貌：(a)表面微觀；(b)微觀晶粒Fig.4 SEM micrograph of stainless steel coating: (a) surface microstructure,(b) microscopic grain

圖5 3Cr13噴涂模具及壓制的產(chǎn)品：(a)3Cr13噴涂模具；(b)壓制產(chǎn)品Fig.5 3Cr13 spray mold and pressed products: (a) 3Cr13 spray mold,(b) pressed products

圖6 ZnAl噴涂模具與3Cr13噴涂模具圓角磨損對比：(a) ZnAl噴涂模具；(b) 3Cr13噴涂模具Fig.6 Comparison of fillet wear between ZnAl spray mold and 3Cr13 spray mold: (a) ZnAl spray mold,(b) 3Cr13 spray mold

4 結(jié)論

噴涂快速模具需要涂層孔隙分布均勻，噴涂過程工藝穩(wěn)定，涂層不能出現(xiàn)明顯的變形、開裂及脫層，涂層表面要硬度高、抗磨損，同時微小均質(zhì)孔隙還可儲存潤滑油。針對以上服役條件，通過正交實驗分析及涂層微觀形貌觀察，獲得了利用3Cr13馬氏體不銹鋼材料進(jìn)行電弧噴涂快速制模的優(yōu)化工藝條件為：噴涂電壓：32V，噴涂電流：150A，噴涂距離：230mm，空氣壓力：0.55MPa（氮氣氣體保護(hù)），噴槍移動速度：0.4m/s，基體預(yù)熱溫度：220℃。該參數(shù)獲得了較好的噴涂模具表面質(zhì)量，并生產(chǎn)出了數(shù)十件合格制件，相較于低熔點ZnAl合金噴涂模具而言，壽命得到了很大的提升。