等离子喷涂模具制造

MoldManufacturewithPlasmaSprayingK.A.GrossandA.KovalevskisJournalofThermalSprayTechnology Volume5(4)December1996475:JTTEE55:469-475©ASMInternational等离子喷涂模具制造K.A.GrossandA.Kovalevskis中国热喷涂技术第5卷（4）1996年12月-475:引用469～475页摘要目前模具行业已经发展到使用钢或镀铬钢作为材料来生产模具的阶段。调查研究发现，模型的涂层是受到模型材料、模型温度、喷涂角度、涂层质量和模型表面质量的影响。将抛光后的圆盘模型加热，然后用铁、镍、铝镍合金和镍铬硼硅合金进行等离子喷涂。研究发现，材料在200℃～450℃这个较低温度之间变化时，可以促进清除低钢型号模型的整个涂层。然而在较高的温度下，对钢氧化所产生的较高的粘结强度会导致显著的涂料分离。镀铬的模型，需要加热到600℃～700℃才能生产出无缺陷的涂层。基底角度对开口孔隙率的影响效果是最明显的，在镍铬硼硅合金中最重要的是镍和铝元素。等离子喷涂后的模具的表面粗糙度能够达到理想模型的要求，可以具有良好表面的细节再现性。这些模具也可用于玻璃、橡胶、塑料等行业。关键词：附着力，涂层清除，模具，等离子喷涂，孔隙度，粗糙度，刀具

介绍零部件的制造通常需要一个成形阶段。这是通过模具、工装或者冲模完成的。有多种方法可用来生产模具，包括冲压、电铸、电火花加工、化学侵蚀、精密铸造机加工[1]。等离子喷涂是另一个可以制造具有复杂曲面和精确尺寸的模具生产制造过程[2]。这个过程可降低加工成本，从而缩短生产时间，生产出多样化的产品，并可以迅速提高制造样品的速度。该方法能够生产不规则形状的部件，提供一个表面质量优异的副本和保持表面精确的形态和尺寸。金属喷涂的理想结果是喷涂料时在模型表面粘合后的表面光洁度和分离表面涂料时表面沉积后的表面光洁度与理想的模型相同：一个平滑，无孔的沉积物，没有裂纹和表面光洁的粘附区域。早在20世纪70年代初，被发现的薄壳锌和锌锡就可以应用于喷涂在木材、塑料、模具和其它的材料领域[3]。模具表面有较严格的应用标准时，可以制备低的压力和温度，例如在塑料行业。热喷涂方法金属喷涂的准备工作包括五个步骤。在步骤1中，模具通过立体光刻造型[4]或机加工制作，或用手工制作表面光滑的和达到期望尺寸的最终产品。当该工序完成时，再覆盖高温阻挡图层（步骤2）来保护模型，用脱模剂，如聚乙烯醇，以促进模型的分离。该模型覆盖一层用金属喷镀（步骤3）约1～3毫米的金属涂层。在这个阶段，涂层是非常柔软的，并且需要外力支撑。为了使薄壳有刚性，并确保在处理过程中尺寸不会发生改变，在构筑模具（步骤4）时涂一层备份材料（步骤5）。一个优质的表面光洁度才能在玻璃上实现喷涂低熔点材料，如锡或锌合金（一种生产于锌合金有限公司，创立于146年彭布罗克大道、尼克-海德菲尔德03301号），聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚丙烯或聚酰亚胺[5]。然而，精确的表面复制取决于材料的熔炼和变形。利用铜、钢、铝是难以适用于模型因高融化温度和收缩率的。根据[6]，为了克服这一困难可以用锡合金涂层在不锈钢表面用等离子体法喷熔化锡创造良好的附着力，从而克服陶瓷涂层的分层问题。同样，精确的表面复制是由于熔融的锡合金的限制。表面温度的控制与空气冷却是很重要的，以避免过度的膨胀和熔融的锡合金。使用钢模型提供了另一个替代方案来生产模具。自熔性模型形状的损失已不再是一个问题，允许在相同过程中使具有良好的模具性能的材料被喷到另外一个制造过程或基础材料上。该模型可以被加热到高温下，它提供了许多方面的优势。熔滴热基板上沉积的产生以及形成的片层与较低的涂层孔隙率[7]和较高的沉积效率[8]。光滑的表面要求减少大量的“桁条”或二次飞溅，为了赋予模具内高的表面平滑度是必要的。沉积结束后的第一个材料层用另一种有相似热膨胀系数的材料可以提供技术支持喷洒拆卸后的模具。此外，一旦模具或物体已经产生，没有进一步的行动是必要的。本文将证明表面复制取决于涂层材料、基体材料、基质温度和沉积参数。实验步骤材料45号钢被选为该模型材料。在冷却过程中，选取膨胀系数与基质相似的涂层材料来避免涂料分层。铁、镍、镍铝合金和镍铬硼硅合金（用组合物的8〜14重量百分比的铬，2～3重量百分比的硼，1〜3重量百分比的硅和余量的镍）分别作为喷涂材料。后三种材料被选择适用于在高温700℃条件下操作。镍具有良好的耐腐蚀性并且已被应用在压缩和注射成型塑料[9]。镍铬高温合金具有良好的耐磨性、耐腐蚀性和抗氧化性[10]，用来防止机械零件的腐蚀和磨损[11]。生产致密涂料时，合金中的硼和硅可以提供更好的流动特性的熔融颗粒。在乌克兰和俄罗斯的冶金工厂得到的铁和镍粉是呈不规则形状的。铝镍合金和镍铬硼硅合金的等离子粉末喷涂呈现的球形形状是分别来自于俄罗斯和乌克兰。铝镍粉末组成合金中，镍封装在铝中。喷洒铁和铜的机械混合物作为背面材料的模具支承。对粉体进行了分类，镍颗粒尺寸范围为30μm～80μm，但40μm～100μm的尺寸范围是其他材料的颗粒。由于钢的可用性和良好的切削性能，被选为模型材料。模型用制造圆盘的形式（见3.3节）和抛光到0.05μm的表面光洁度。模型通过电镀可以镀10μm厚的镀铬层。喷涂条件一个定制的等离子体炬内部用6毫米直径的阳极用于等离子喷涂。28～31千瓦的功率电平设置为350安，80～90伏。技术级氩式（Ar-15N2）被用作主要的等离子气体，和氢（10％～15％）被加入以增加等离子体焓。交付的粉末在2～5公斤/小时到焊炬中，并喷涂在一个距离10厘米的支座上评价方法第一阶段的调查涉及从除去模型表面的整个涂层过程中从而获得具有良好涂层附着的要素。众所周知，镀层粘附性取决于被涂覆表面的粗糙度。粗糙表面喷涂后可以产生非常大的附着力[12]。抛光表面的附着力是最小的，在喷涂过程中，涂层可以进行碎片和翘曲。加热基底表面，提高了涂层的附着力。圆盘（30×80毫米直径）抛光至表面粗糙度为0.05μm，在马弗炉中加热大约一个小时，并使用带有热绝缘层的夹具（见图1）。一个2～3毫米厚的涂层立即被喷射到模型表面可以确定在较低温度下均匀分布涂层的附着力。在更高的温度下以50℃的增量重复此过程，直至在喷涂过程中没有再形成涂层，涂料在表面产生钢和镀铬。以这种方式温度均匀的粘涂层的形成可能是必要的。金属板前表面的温度用一个1毫米的热电偶进行定位测量。第二阶段的调查确定了工艺参数，以保证一个有良好涂装性的涂膜从模型中分离。一个圆盘在尺寸上小于先前使用的（5×30毫米直径）的，被装上了圆柱基础和用一个螺丝固定穿过一个圆柱套筒（见图2）。圆盘上的温度用热电偶测量。套筒顶部表面喷砂处理以确保了粘合处较低的基底温度。沉积2～3毫米后勾涂料、圆柱基础通过螺丝套筒被挖掘释放。涂层分离的圆盘外露的最后涂料被清除出了圆盘进行下垫面的进一步检查。潜在的涂层表面可以评估基片温度功能。表面检查涂层孔隙率和已撤离进行立体显微镜用光学和表面形貌剂。模具的表面质量可以改变制件的色彩质量。第三个实验确定了喷涂角度依赖性和表面涂层的孔隙率的材料。一共有12个区域，每个区域每三片为一组被放置在一起进行测试。每个区域用不同的角度进行加工（见图3）。该模型提出了斜板从10～90度的角度进行装配，至即将电浆熔融颗粒。维系在一起的所有阶段都是由一个单一的紧固件固定。温度是用一个热电偶插入到底端进行测量。涂层孔隙率测定使用放大能力为100×倍的光学显微镜测量。结果和讨论复制曲面的几何图形涂层整合和易于除去相对于表面上的复制图案是很重要的。喷涂到冷的表面涂层的结果会导致涂层的剥离，并从圆盘的右侧开始向中心靠近。在这个过程中，涂层由于热诱导应力使图案产生裂缝而分离。均匀粘合的圆盘基片只能在高温度下观察。钢模型加热到150℃～200℃就能产生更好的附着力粘附到圆盘上。均匀粘附的最低温度取决于模型和涂层材料。将镍铝合金喷涂到钢上的最低温度要求为200℃（见图4）。这可能是由于在凝固过程中，其中的放热会协助纾解该过程中产生的应力。铁，镍，镍铬硼硅合金涂层要求预热到300℃～450℃才可以形成粘附的涂层。镍铬硼硅合金具有较高的敏感性，由于残余应力会引起开裂和剥落，因此需要较高的温度[13]。涂层在给定的温度下会显示一个灰色的外观，这意味着是一个多孔表面。重要的是观察到抽出镍和铝镍合金涂料。镀铬的表面需要较高的基底温度（略高于50℃）以便涂层的清除（见图4）。涂料还含有较少的孔隙率，并且从浅灰色的观察外观上可以轻易地从基材上分离异常的镍铝。基材的角度和孔隙率模具的生产需要具有不同取向特征的熔融颗粒，来建立功能性涂料。图5显示出了基片角上的涂层开口孔隙率对各种材料的影响。喷射角度对镍铬硼硅合金原料来说是最关键的。观察孔隙度水平基板倾斜增加40度。与其他研究结果比较是相对困难的，因为体积孔隙率是常规测量得到的。史密斯等人[20]等离子喷涂铜、铝、钼、镍铝合金和铝在砂砾中受损的基板和显示增加镀层粗糙度降低沉积效率，开始以相似的角度增加孔隙度。这些结果表明，孔隙度是出现在大角度的遮蔽效应和飞溅情况下。对镀铬钢模式来说，最佳喷射角是40度至90度；对铁来说，在600℃环境下，是45度至90度；镍在700℃时的最佳喷射角度是50度至90度；镍铬硼硅和镍铝涂层在700℃环境下的最佳喷射角是35度至90度。喷雾角小于指定值时会增加孔隙率，从而导致产生较差的表面光洁度，因此会降低模具的性能。表面质量镍镀层的镀铬钢模型的分离情况被选择用来表面粗糙度的评估。粗糙度在涂层和模型表面测定，测得到达峰谷值RZ为测定值。两个表面的评估表明，粗糙度的变化在涂层上更容易地检测出。在550℃时，涂层和模型的表面粗糙度分别为2.7μm和1.0μm。这些数据表明，小部分松散的接合薄片，会从涂层转移到模型表面。温度每上升50℃会产生一个光滑的表面。在较高的模型温度下（见图6）表面粗糙度的值会减小。得到较好的模型的表面粗糙度需要加热到700℃以上。模具制造模具制造的工具需要有刚性材料的支持。在机械强度允许的条件下，该涂层可以同时加入1～2厘米厚的支撑层。通常情况下，铁和铜的混合物是等离子喷涂到表面的第一层介质。选择这种材料的组合是为了便于切削。根据图案的大小和复杂性，制造一个模具，整个涂层的操作可能至少需要40分钟的时间。例如，要产生一个简单的内部直径为15毫米，厚度为5毫米，长度为200毫米圆筒的壁需要的总喷射时间为1小时。然后将模具从模型中分离，然后用加工到最终所需的尺寸。结论本研究已经设定了涂层参数，例如模型材料、表面温度和喷涂角度，使在喷涂过程中不会发生变形和比原来模型还要低的表面粗糙度。可以在空气中将铁、镍、镍铝合金和镍铝乙硅合金用等离子喷涂到钢或镀铬钢模型的表面上。主要的加工标准是模型温度。模型表面必须加热超过400℃才能避免涂层翘曲和分裂，但加热到600℃～700℃需要去除涂层孔隙率和减少涂层拉拔。小喷雾角度还可以引入表面孔隙度。镍铝和铁涂层的喷雾角范围是最灵活，允许更复杂的模具进行喷涂。钢材的氧化促进喷涂材料的粘连，因此不推荐。钢模型需要铬镀层防止涂层拉拔。参考文献W.ERobb,Tool-MakingProcesses,EquipmentandMethods,PlasticsMoldEngineering,J.H.DuBoisandW.I.Pribble,Ed.,Reinhold,1965,p148-180.A.KovalevskisandG.Balasnikovs,MethodforProducingMoulds,USSRPatent369183,1965.L.Grant,SprayedMetalMolds,HandbookofPlasticMaterialsandTechnology,K.L.Mittal,Ed.,JohnWiley&Sons,1990,p1425-1433.S.Ashley,RapidPrototypingforArtificialBodyParts,Mech.Eng.,Vol5,1993,p50-53.K.M.McHugh,MaterialsProcessingwithdeLavalSpray-FormingNozzles:Net-ShapeApplications,ThermalSprayIndustrialAppli-cations,C.C.BerndtandS.Sampath,Ed.,ASMInternational,1994,p477-483.L.E.Weiss,D.G.Thuel,L.Schultz,andEB.Prinz,Arc-SprayedSteel-FacedTooling,J.Therm.SprayTechnol.,Vol3(No.3),1994,p275-281.R.C.Dykhuizen,ReviewofImpactandSolidificationofMoltenThermalSprayDroplets,J.Therm.SprayTechnol.,Vol3(No.4),1994,p351-361.D.G.Moore,A.G.Eubanks,H.R.Thornton,W.D.Hayes,andA.W.Cigler,"StudiesoftheParticle-ImpactProcessforApplyingCeram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