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Zn-Al-Cu伪合金涂层制备工艺及性能研究

放大字体  缩小字体发布日期:2012-05-10  浏览次数:732

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。

 

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