Cu-3Cr13偽合金涂層的試驗研究

梁洪舟

（隨州職業技術學院汽車與機電工程學院，湖北 隨州 441300）

Cu-3Cr13偽合金涂層的試驗研究

梁洪舟

（隨州職業技術學院汽車與機電工程學院，湖北 隨州 441300）

本文為研究電弧噴涂中不同工藝參數對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、電壓和距離參數下制備偽合金涂層。分析噴涂電流、電壓和距離對該涂層的硬度、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和該涂層在快速制模中的應用前景。

電弧噴涂；工藝參數；涂層；性能

1 課題背景及意義

電弧噴涂制模技術是典型的增材料制造技術，被廣泛應用于快速模具制造和模具零件修復領域，在現代模具生產短周期、小批量的背景下，具有傳統模具不可比擬的優勢。

表1 基于RP&M原型快速制作模具與傳統機加工法制作模具的比較

2 目標及主要工作內容

本課題研究Cu-3Cr13偽合金涂層的性質。純Cu熔化溫度為1 083℃，3Cr13的熔點1 520～1 540℃，兩者均為高熔點金屬。涂層由在石膏基體表面電弧噴涂制得。在實驗過程中對噴涂工藝參數對涂層的形成進行實驗研究及分析，最后綜合分析評估得到制備涂層的最佳工藝參數。

2.1 實驗方案

Cu-3Cr涂層的機械性能較好，但噴涂時涂層的收縮率、熱應力導致涂層很容易開裂、變脆，給制模工藝帶來困難。涂層的主要性能參數即硬度、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、單位面積噴涂時間T等工藝參數的影響。本次研究固定單位面積噴涂時間且噴涂霧化壓力固定為0.5Mpa，通過改變其它不同參數對所制備的涂層性能指標采用正交實驗的水平因素表（見表2）進行研究。

表2 正交實驗水平因素表

2.2 實驗過程

在固定單位面積噴涂時間以及噴涂霧化壓力為0.5Mpa的前提下，據水平因素表在150×80mm的石膏表面噴涂制得2～3mm厚的涂層，經綜合評估以得到最佳工藝參數并驗證Cu-3Cr13涂層快速制作模具的可行性。石膏樣的制備按水固比（質量比）1：0.6～0.65；待凝固后再加熱固化。考慮到石膏的導熱性差，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

3.1 硬度值

據正交實驗方案制備9組石膏基體上噴涂的Cu-3Cr13涂層，制備金相后在MH-5型金相顯微硬度計上所測得其截面硬度、平面硬度數據分別見表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中所測各涂層平面、截面孔隙見表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型磨損實驗機上按每磨損30秒的質量減少量來進行比較，各組涂層的耐磨性能對比見表5。

表5 涂層耐磨性能對比

4 綜合分析與評估

經過處理后的實驗數據與工藝參數建立研究Cu-3Cr13涂層性能的正交分析表（見表6），對涂層各性能指標與相應的工藝參數進行分析研究來獲得最優水平因素。

對于用來制作模具型腔的Cu-3Cr13涂層來說，涂層的平面硬度是要承受載荷的。因此，電弧噴涂工藝參數對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表明對于因素A即電壓為34V時涂層平面硬度最高；對于因素B即電流為120A時涂層平面硬度高；對于因素C即距離為250mm時涂層平面硬度高。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 工藝參數對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 工藝參數對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 工藝參數對平面孔隙率%的綜合影響

表10表明涂層在30秒內磨損量較低的是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 工藝參數對涂層耐磨性能的綜合影響/mg

4.2 最優水平組合

根據因素水平的分析，不僅各水平不同時實驗指標均不系統，而且各實驗指標的主次因素也不一樣（見表11）。

表11 工藝參數對涂層性能的影響

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涂層的工藝參數最優水平組合為AⅡBⅠCⅢ即U=34V、A=120A、L=250mm。

5 結論

本次實驗研究得出以下結論：Cu-3Cr13偽合金涂層的噴涂工藝參數最優水平組合為AⅡBⅠCⅢ，此時涂層的平面硬度最高，耐磨性能較好，但孔隙率較高。單獨噴涂Cu-3Cr13偽合金涂層作為模具型腔是可行的。

[1]王廣春，趙國群.快速成型與快速模具制造技術及其應用[M].北京：機械工業出版社，2004.1.

[2]鄧明.現代模具制造技術[M].北京：化學工業出版社，2005.8.

[3]快速經濟制模技術.中國輕工具模具網.http://www. mouldscity.net.

TG172

A

1003-5168(2014)03-0081-02