摘要: 为了提高模具材料的硬度，基于电弧喷涂的工艺特点，制备Zn-Al-Cu伪合金模具金属壳，讨论了Zn-Al-Cu伪合金的硬度与喷涂工艺的关系。结果表明，涂层硬度与涂层组织、应力状态有关；电弧喷涂Zn-Al-Cu伪合金涂层的硬度可以达到HV90-100。
关键词：伪合金 涂层 硬度 组织
前言
电弧喷涂制造模具的关键在于基体模型表面金属壳的形成，特别是高硬度金属壳，直接关系模具寿命及应用范围。
电弧喷涂制模材料一般选用Zn、Zn-Al伪合金，喷涂时可采用喷丸强化的方法提高涂层强度、硬度[1]，涂层的硬度不超过HV70。为提高模具的使用寿命，拓宽模具应用范围，开发了Zn-Al-Cu伪合金涂层，下面详细介绍涂层制备工艺和涂层性能。
1 实验方法
1.1 涂层制备
为提高涂层硬度，利用电弧喷涂的工艺特点，选择合金喷涂丝，经过大量实验，选择硬度比较高的Al-Cu-Mg合金丝材（LY12），配合不同直径的Zn-Al10丝材制备Zn-Al-Cu伪合金涂层。基体采用A3钢板，喷涂工艺如表1。表1 涂层制备工艺及硬度实验
 1.2 涂层物相及成分分析
涂层的性能如硬度直接和涂层成分、物相及组织有关，用JSM-840 扫描电镜能谱仪分析涂层成分；用D/MAX-RA型X射线衍射仪分析涂层物相，射线参数为：铜靶，45kv，取Kɑ线，λkα=1.5405Å；采用DIGITAL MICRO-HARDNESS TESTER显微硬度计测量涂层硬度，测试参数为：载荷50g，加载时间20s；在金相显微镜下分析组织及形貌特征。
2 实验结果及分析
2.1 涂层的组织与成分
表2为不同工艺下获得的电弧喷涂层的能谱成分分析结果，发现Zn的含量大大低于预期值。涂层成分决定于电极材料（由送丝电压、熔丝电压所决定）和原始成分（决定于Zn-Al10丝与Al-Cu-Mg合金丝的直径比）。当Zn-Al10丝与Al-Cu-Mg合金丝的直径比为2mm/2mm时，原始成分的重量比应该是ρZn/ρAl=2.56，ρZn、ρAl分别为Zn-Al10、Al-Cu-Mg的比重，当Zn-Al10丝与Al-Cu-Mg合金丝的直径比为1.8mm/2mm和1.6mm/2mm时，重量比应为1.87，和1.08，但是，当Zn-Al10丝与Al-Cu-Mg合金丝的直径比为1.6~2mm/2mm时，涂层中Zn的成分显著低于原始材料成分，而且涂层中Zn的含量与原始成分关系不大。涂层成分主要由电弧喷涂的特点所决定。表2 不同工艺喷涂层的成分
 图1为不同原始成分的Zn-Al-Cu伪合金涂层截面金相。
图1 喷涂距离14cm，送丝电压15V，涂层截面组织
可以发现，减小涂层中Zn-Al10的原始成分，Zn-Al10的含量有所降低，但同时从金相照片图1（黑色相是富Al相，白色相是富Zn相）看出，组织出现多孔、疏松，甚至成分严重偏析（图1(c)的A区、B区）。
图2不同喷涂距离的情况下得到的两种涂层的截面金相，可以看出，减小喷涂距离，涂层沉积速率提高，涂层致密程度提高，有利于硬度的提高。
(a) 喷涂距离 14cm; (b) 喷涂距离 18cm；
图2不同喷涂距离时，涂层截面组织，×100
2.2 涂层硬度分析
喷涂层及基体的形貌如图3，选取样品中部，采用线切割，制成长×宽为60×5mm的条形样品，测试其显微硬度。实验中发现，涂层中硬度不均匀，所以在涂层样品截面沿y方向每隔5mm，z方向每隔0.5mm的位置测量硬度。每个样品测量64~72个硬度值，求其平均值。
图3 涂层及基体的形貌
表2实验结果表明改变原始成分提高涂层中Al-Cu-Mg成分的结果并不令人满意，涂层中Al-Cu-Mg的成分增加不显著，虽然其原因无法解释，但没有达到提高涂层硬度的目的。
涂层的硬度不仅与成分有关，还与涂层的致密程度有关[1]，从图1看出，减小Zn-Al10丝的原始成分，得到的喷涂层组织疏松、成分偏析，从涂层硬度实验结果（表1）发现，涂层硬度下降，并且硬度值分散。
改变喷涂距离，也可影响涂层的硬度。首先，从图2看出，喷涂距离的减小，涂层沉积速率的提高，涂层致密程度提高，有利于硬度的提高。图4为不同喷涂距离的情况下得到的涂层X-射线物相分析结果，可以看出，硬化相如Al7Cu3Mg6，Al2Cu，Al3Mg2，Cu2Mg，Al4Cu9的含量都比较低，相对含量不超过1%，差别更小，不足以产生硬度上的明显差别。然而，硬度实验结果表明（表1），改变喷涂距离，涂层硬度的差别还是比较明显的。从X-射线物相分析结果还可以看出，晶面面间距有微小差别，以Al相（21）和（32）晶面为例，喷涂距离14cm的涂层普遍比喷涂距离18cm得到的涂层涂层晶面间距小1~10‰（X-射线物相分析实验结果），比标准材料的晶面间距小1~1.5%，晶面间距的减小，意味着涂层承受着压应力。
图4 不同喷涂距离时，得到涂层的X-射线衍射图
针对不同喷涂距离情况下得到的涂层进行应力计算[3]，图5表示涂层在经过150秒冷却至室温后的应变状态计算结果。可看出，缩短喷涂距离，涂层沉积速率增加的同时，气流及金属射流对已形成涂层的冲击作用增加，冷却下来的涂层下表面在最大沉积速率区域处于压应变状态。
(a) 喷涂距离 14cm，时间 20 sec.; (b)喷涂距离18cm，时间 26 sec.;
图5 不同喷涂工艺时，涂层残余应变计算结果
3 结论
(1) 由于喷涂过程中Zn-Al10成分的烧损等原因，涂层中Al-Cu-Mg合金的含量比原始成分高得多，有利于涂层硬度的提高。提高Al-Cu-Mg合金原始成分，可提高涂层硬度，但实验中发现，提高Al-Cu-Mg合金成分的同时，涂层中气孔数量增加，有不利于涂层硬度趋势存在，严重时，组织与成分偏析，涂层硬度反而降低。
(2) 涂层硬度决定于涂层的组织、物相组成以及应力状态，其中应力状态又是决定涂层硬度非常显著的因素。增加沉积速率的同时，气流及金属射流对基体及以形成的涂层的冲击压力的增加，导致涂层在冷却后呈残余压应变状态，加工硬化效应显著提高了涂层硬度。
参考文献
(1) 王伊卿：电弧喷涂制模材料性能的研究，中国机械工程，Vol.2 No.10，40, 2000．
(2) 胡特生：电弧焊 机械工业出版社，16，21，47, 1994．
(3) 王伊卿：电弧喷涂制造模具关键技术及材料开发研究（博士学位论文），2001.
(4) 钱苗根：金属学 上海科学技术出版社，292, 1980．(end)
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