电火花沉积金属陶瓷材料耐铝液热侵蚀研究.doc

电火花沉积金属陶瓷材料耐铝液热侵蚀研究黄小鸥 汪瑞军 徐 林、中国农业机械化科学研究院表面工程研究所所摘要： 本文针对铝合金压铸模具材料失效主要原因铝液热侵蚀问题，采用电火花沉积工艺，利用陶瓷材料与铝液不浸润的特点，在铝合金压铸模具材料H13（4Cr5MoSiV）表面沉积金属陶瓷，并对沉积前/后铝压铸材料耐铝液热侵蚀性能进行对比试验。 关键词：电火花沉积 金属陶瓷材料 铝液 热侵蚀1. 前言在现代工业生产中，提高金属材料的使用寿命，是降低生产成本的重要途径之一。多种多样的金属材料表面处理工艺（如淬火、表面渗氮、碳氮共渗、镀Cr、PVD、CVD、离子溅射、激光处理、热喷涂等）为改善金属表面的物理、化学性能提供了可能。近年，利用陶瓷材料的高耐磨、耐高温、耐腐蚀特性来改善金属材料表面性能的研究已引起国际科研机构的重视。美国的Welsh与前苏联的研究人员在车刀、涡轮机叶片、轧辊、凸轮轴等零部件上应用陶瓷特性取得成果的专利已有报道。中国农业机械化科学研究院工艺材料所开发的新型实用技术电火花沉积（Electro Spark Deposition ，简称 ESD）设备为金属材料表面的陶瓷化处理提供了新的工艺方法。本文针对铝合金压铸模具材料失效主要原因铝液热侵蚀问题，利用金属陶瓷材料与高温铝液不浸润的特点，采用电火花沉积工艺，在铝合金压铸模具材料H13（4Cr5MoSiV）表面沉积金属陶瓷，并对沉积前/后铝压铸材料的耐热侵蚀性能进行对比试验，表（1）为陶瓷材料与铝液亲合性的比较。 2. 电火花沉积工艺原理 电火花沉积工艺是将电源存储的高能量电能，在金属陶瓷电极与金属母材间瞬间高频释放，通过电极材料与母材间的空气电离，形成通道，使母材表面产生瞬间高温、高压微区；同时离子态的电极材料在微电场的作用下融渗到母材基体，形成冶金结合。 由于该工艺是瞬间的高温-冷却过程，不仅金属表面会因迅速淬火而形成马式体，在狭窄的沉积过渡区还会得到超细奥氏体组织。电火花沉积工艺不是焊接，也不是喷镀或元素渗入工艺，简单地讲，是介于它们中间的工艺。图（1）是电火花沉积工艺与其他工艺的关系示意图。图（2）、图（3）分别是电火花沉积试样截面形貌、电火花沉积工艺示意图。3. 金属陶瓷材料的特点 陶瓷材料包括金属陶瓷（或称非氧化物陶瓷）和氧化物陶瓷。金属陶瓷包括B、C、N等元素组成的碳化物、硼化物、氮化物等难熔化合物。它们一般具有耐高温、超硬度、高耐磨、抗腐蚀等性能，是一般金属材料所不及的。由于金属陶瓷的共价键很强，在自然界很少存在，需人工合成。表（2）是几种陶瓷材料的物理性能。表（1）部分陶瓷材料与铝液亲合性能比较 性能材料与液态金属亲合性能AlZnCuWCTiNTiB2注 由一定程度的亲合性 不亲合 有亲合性 表（2）几种陶瓷的物理性能陶瓷种类熔点硬度Kg/mm2WC28672000TiC31403200TiB226003480ZrB230002200Mo2B321003220TiN29502450图（1）电火花沉积工艺与其他工艺的关系 图（2）沉积试片截面形貌图（3） 电火花沉积工艺示意图利用电火花工艺在金属表面沉积金属陶瓷，使金属表面具有金属陶瓷的特性，是一个新的研究方向。4. 铝液腐蚀试验4.1试样的制备 本试验采用高合金钢H13（4Cr5MoSiV）加工试片，试样尺寸为：80mm30mm10mm。将试样表面用金相砂纸磨到镜面光泽后，将试片分为A、B、C三组。A组试片未经任何表面处理，B组试片表面经过渗氮处理，C组表面采用电火花沉积TiB2陶瓷材料，如表（3）所示。然后采用TG328A型分析天平（精度0.1mg）测量试片重量，以备测算试片在铝液热腐蚀下，每平方厘米表面积上的失重，即用腐蚀失重率来评价耐铝腐蚀性能。4.2铝合金溶液的准备 铝液为620铝合金液体，成分如表（4）。试验过程中，铝液盛在如图（4）所示的实验台中，并以30rpm速度旋转。试片在铝液中的时间按1h、3h、4h为检测单位，观察试片的腐蚀情况。当试验满4h后，用NaOH溶液清洗去附着在试片表面的Al液。表（3）试片准备试片序号表面处理方法A未经处理B渗氮处理C电火花沉积金属陶瓷TiB2表（4）铝合金溶液化学成分元素SiCuTiMnMgAl含量（%）12.001.000.150.200.801.00Bal图（4）铝液热腐蚀试验台5. 试验结果与分析 表（5）分别是A、B、C试片单位面积在不同时间失重的测量值。表（6）分别是经过4小时侵蚀试验后，A、B、C试片的失重值以及试片单位时间内单位面积的失重值。表（5）A、B、C试片单位面积在不同时间失重量试片失 重 量（g/cm2）1h3h4hA0.210.580.70B0.020.090.11C0.020.080.10表（6） 试片单位时间内单位面积失重量比较试片总失重量（g）失重量（g/cm2.hr）A0.700.13B0.110.008C0.100.007 图（5）、图（6）分别是表（5）、表（）的分析图。图（7）是试片B、C耐热侵蚀性能的比较。图（8）是实验中的试片形貌。 根据以上分析可以确定，试片A、B、C在铝溶液的侵蚀下，失重率由大到小的顺序是ABC，即采用电火花沉积工艺沉积金属陶瓷材料（BTi2）的试片，其耐铝液的热侵蚀性能最好。图（5）分析图 图（6）分析图图（7）试片B、C耐热侵蚀性能的比较图 图（8）试验中的试片形貌6. 结论1. 电火花沉积工艺能够在金属表面沉积金属陶瓷，从而强化金属表面性能。2. 采用电火花沉积工艺在金属基体表面沉积