等離子噴涂氧化鋯涂層在硬質合金燒結舟皿上的應用

張圓圓，王云鯤，黃 偉，鐘銘鋒

（南昌硬質合金有限責任公司，江西 南昌 330000）

硬質合金燒結是硬質合金燒結屬于典型的液相燒結，為防止燒結時出現的液相向石墨舟皿擴散和遷移，需要在硬質合金產品和石墨舟皿之間增加一種隔離層。目前硬質合金行業廣泛使用刷防粘涂料隔離的方法，防粘涂料主要包含石墨、炭黑、金屬氧化物、膠液等等[1]。其附著效果差，一般不可重復使用，每使用一次需經過清灰、涂刷、干燥等工序，存在穩定性差、環境差、人工多和周轉時間長等缺點。等離子噴涂技術是熱噴涂技術的一種，廣泛應用于航空航天、醫療器械等領域。

等離子噴涂技術利用等離子焰流將金屬或陶瓷材料加熱至熔融或半熔融狀態，并高速噴向經過預處理的工件表面從而形成附著牢固的涂覆層的方法。

在CN102744404A中公開的硬質合金的型坯燒結舟皿的表面防粘結方法，包括等離子噴涂工藝設備，選用氧化鋯粉作為涂層原料進行等離子噴涂，所得防粘層可以使用10次，該方法氧化鋯粉利用率大約是40%，其原料利用率和重復使用次數偏低[2]。

針對現有技術的不足之處，該領域研究人員提出一種硬質合金燒結用石墨舟皿隔離涂層改進優化的制備方法，能夠有效提高噴涂粉末原料的利用率，并提高石墨舟皿上隔離涂層的重復使用次數。為進一步探究等離子噴涂氧化鋯涂層在實際應用中的重要作用，本文開展等離子噴涂氧化鋯涂層在硬質合金燒結舟皿上的應用研究，通過調整噴涂工藝參數和對比不同氧化鋯粉末以提高原料利用率和重復使用次數，降低使用成本。

1 等離子噴涂氧化鋯涂層的硬質合金燒結舟皿制備原理和方法設計

1.1 等離子噴涂氧化鋯涂層的制備基本原理

等離子噴涂是采用直流電源驅動，在陰極和陽極之間產生直流電弧，將導入的氬氣和氫氣加熱電離成高溫等離子體作為熱源，加熱熔化送粉氣體送入的氧化鋯粉末，而后由等離子火焰加速噴射到預處理的石墨舟皿上形成涂層，用于棒材燒結舟皿和產品之間的隔絕。

1.2 基于等離子噴涂氧化鋯涂層的制備的設備和參數

等離子噴涂設備主要包括噴涂槍、水電轉接箱、送粉器、主機電源、控制柜、冷卻水系統、抽風除塵系統以及安全監控系統。其中核心部件噴涂槍包括包含粉管組件、陰極陽極組件、密封件等，其穩定性可靠性決定了噴涂的質量。圖1為等離子噴涂系統示意圖。

圖1 等離子噴涂系統示意圖

等離子噴涂氧化鋯涂層在硬質合金燒結舟皿上的應用首先對待處理石墨舟皿進行噴砂粗糙化處理。其次，采用噴霧制粒釔穩定氧化鋯粉作為原料對噴砂處理后的石墨舟皿進行等離子噴涂處理[3]。等離子噴涂工藝參數比較多，其噴涂電壓電流、工藝氣體供應，以及噴射姿態和速度都影響到噴涂的效果。

機械手牽引噴槍運動，機械手的程序決定了噴槍的姿態及運動軌跡。噴涂工藝對噴槍的姿態，噴槍與舟皿距離，噴槍與噴涂面之間的夾角都有嚴格的要求。圖2為噴槍噴涂姿態示意圖。

圖2 噴槍噴涂姿態示意圖

2 應用實驗

如上文所述，等離子噴涂氧化鋯涂層質量受影響因素多。因此設計實驗，從噴涂工藝參數調整和氧化鋯粉末選擇兩方面分別對比上粉率和使用壽命，以期為噴涂技術應用推廣和降低成本提供思路和方向。

2.1 不同噴涂工藝參數對上粉率影響的對比

實驗選用噴涂設備的機器人型號為DX-200安川機器人，等離子噴涂設備為SX-80等離子噴涂系統。

實驗采用60目剛玉砂和0.5Mpa～0.7Mpa壓力壓縮空氣對待處理石墨舟皿噴砂處理90秒～120秒，表面粗糙度Sa2.5。使用機器人按預設定好的運動軌跡牽引等離子噴涂噴槍完成噴涂工作。

實驗維持部分噴涂工藝參數不變，其中氬氣供應28SLM～30SLM、氫氣供應0.5SLM～0.8SLM、送粉速度2.5g/s～3.5g/s、入射角度45°～75°、噴射距離6cm～10cm、噴涂速度10cm/s～20cm/s；噴涂功率不變，調整噴涂電壓電流大小，噴涂對比工藝參數電壓電流詳見表1。

表1 噴涂對比工藝參數

噴涂完成后將入射角度調整為105°～135°，其余參數不變再次噴涂完成V型石墨舟皿另一面隔離涂層的制備。記錄所用粉末重量，稱取石墨舟皿噴涂前后重量之差，即可求得噴涂上粉率，記錄實驗數據詳見表2。

表2 實驗結果對比表

由實驗對比數據看出，1組效果較好，說明采用低電壓高電流噴涂工藝，與高電壓低電流工藝相比，噴涂溫度穩定可控，粉末熔融程度好且均勻，上粉率高，降低了使用成本。

2.2 不同氧化鋯粉末對使用壽命影響的對比

選擇400塊225＊230的46槽V型槽板的石墨舟皿采用不同廠家和不同目數的氧化鋯粉末進行4組試驗，每組試驗采用100塊石墨舟皿。

按照本文上述低電壓高電流制備方法，制備硬質合金燒結舟皿涂層，并將其分為4組實驗樣本組，重復使用25次，記錄4組實驗樣本組的脫落數。圖3為槽板使用6次～8次棱角開始脫落和使用15次及之后挑出有效部位開始脫落示意圖。

圖3 槽板使用6-8次和15次及之后脫落示意圖

將重復使用25次后脫落記錄結果繪制成如表3所示的不同氧化鋯實驗結果對比表。

表3 實驗結果對比表

根據表3中的實驗結果可以看出，在對4組實驗樣本進行使用過程中，A廠家-200目～+325目和B廠家-140目～+325目粉末使用效果較好。因此，選擇合適的粉末所噴涂涂層舟皿結合強度高，孔隙率低，微缺陷少[4]，可有效提高重復使用次數。

3 結語

等離子噴涂技術作為一種先進的工業技術，在近代工業中地位越來越重要，應用范圍也在隨著高新技術的發展而不斷擴展，但仍然存在以下幾種問題有待解決：首先進一步研究涂層的形成機理、孔隙形成機理，尋求消除或減少孔隙率的方法，提高結合強度，降低應用成本；其次，研究開發出能有效防止紫外線輻射、高噪音、有害衍生氣體、金屬粉塵、有害物質和降低氫氣使用安全風險的新型等離子噴涂設備。在后續的研究中還將針對上述兩類問題進行更加深入的研究，從而為等離子噴涂氧化鋯涂層的廣泛應用提供實踐基礎。