電弧噴涂工藝及其在模具制造中的應(yīng)用

1電弧噴涂的原理

電弧噴涂是利用兩根連續(xù)送進(jìn)的金屬作為自耗電極，在其端部產(chǎn)生電弧作為熱源，利用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化，并以高的速度噴向工件表面形成涂層的一種熱噴涂方法。噴涂時，兩根絲狀金屬噴涂材料通過送絲裝置均勻連續(xù)的分別送進(jìn)電弧噴涂槍中的導(dǎo)電嘴內(nèi)，導(dǎo)電嘴分別接電源的正負(fù)極并保證兩根絲材在未接觸前的可靠絕緣。當(dāng)兩根金屬絲材端部由于送進(jìn)而相互接觸時，發(fā)生短路而產(chǎn)生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣將熔融金屬熔化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。

2電弧噴涂工藝的特點

電弧噴涂作為一種新型的熱噴涂方法，有許多顯著的優(yōu)點。

2.1涂層結(jié)合強(qiáng)度較高、硬度高、孔隙率低

電弧噴涂時，熔滴溫度可達(dá)6000℃以上， 微熔滴加熱溫度、噴射速度都比火焰噴涂時高，因此粒子的動能和熱能都比較高，從而獲得較高的結(jié)合強(qiáng)度和涂層強(qiáng)度。試驗證明，電弧噴涂的結(jié)合強(qiáng)度約是火焰噴涂層的2.5倍。電弧噴涂形成的涂層硬度要比噴涂材料高30％－80％。電弧噴涂涂層的孔隙率小于8％，低于火焰噴涂所得的涂層的孔隙率。

2.2生產(chǎn)率高、安全可靠，噴涂工件不變形

電弧噴涂的生產(chǎn)率正比于噴涂電流，它的高效率表現(xiàn)在單位時間內(nèi)噴涂金屬的用量大。試驗證明：噴涂電流為300A時，噴Zn效率可達(dá)30kg/h，噴Al可達(dá)10 kg/h。電弧噴涂技術(shù)僅使用電源和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃?xì)怏w，安全性高，噴涂工件不變形。

2.3能源利用率高，噴涂成本低

電弧噴涂的節(jié)能效果十分突出，能源利用率顯著高于其他噴涂方法，而能源費用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之電能的價格又遠(yuǎn)低于氧氣和乙炔，其費用通常僅為火焰噴涂的1/5～1／10，等離子噴涂成本的1/5～1／20，而其噴涂效率卻提高了近一倍。

2.4設(shè)備造價低、使用維修方便、便于現(xiàn)場施工

電弧噴涂設(shè)備成本只有等離子噴涂設(shè)備的1/4～1／6。而且電弧噴涂設(shè)備體積小、重量輕、移動方便、易損件少，維修方便，易于現(xiàn)場施工。

3電弧噴涂設(shè)備及材料

3.1 電弧噴涂設(shè)備

電弧噴涂設(shè)備由電弧噴涂槍、控制箱、電源、送絲裝置及壓縮空氣系統(tǒng)等組成。

(1) 電弧噴涂電源

國外近年來電弧噴涂電源均采用平的伏安特性。過去采用直流電焊機(jī)作為電弧噴涂電源，由于電焊機(jī)具有陡降的外特性，電弧工作電壓在40V以上，使噴涂過程中碳燒損大，降低涂層硬度。平的伏安特性電弧噴涂電源可以在較低的電壓下噴涂，使涂層中碳的燒損大為減少(約減少50％)，可以保持良好的弧長自調(diào)節(jié)作用，能有效的控制電弧電壓。平特性的電源在送絲速度變化時，噴涂電流迅速變化，維持穩(wěn)定的電弧噴涂過程。根據(jù)噴涂絲材選擇一定的空載電壓，改變送絲速度可以自動凋節(jié)電弧噴涂電流，從而控制電弧噴涂的生產(chǎn)率。

(2) 電弧噴槍

電弧噴槍是電弧噴涂設(shè)備的關(guān)鍵裝置。其作用是將連續(xù)送進(jìn)的絲材在噴槍前部一定的角度相交，由于絲材各自接于直流電源的兩極而產(chǎn)生電弧，從噴嘴噴射出的壓縮空氣流對著熔融金屬吹散形成穩(wěn)定的霧化金屬粒子流。

3.2 電弧噴涂材料

電弧噴涂材料主要包括有色金屬絲材(鋁、鋅、銅、鎳等金屬及其合金)、黑色金屬絲材(碳鋼，不銹鋼)。目前，國內(nèi)外試用2-3mm的粉芯絲材，在其中填充所需的合金粉末，以獲得合金噴涂層。

(1) 鋅及鋅合金

鋅為銀白色金屬，在大氣或水中具有良好的耐腐蝕性，對鋼鐵基材還具有電化學(xué)保護(hù)作用。而在酸、堿、鹽中不耐腐蝕，當(dāng)水中含有二氧化硫時，它的耐腐蝕性能很差。在鋅中加入鋁可以提高噴涂后的耐腐蝕性能，因此目前大量使用Zn-A1合金噴涂材料。鋅噴涂層已廣泛應(yīng)用于室外露天的鋼鐵構(gòu)件，如水門閘、橋梁、鐵塔和容器等。

(2) 鋁及鋁合金

鋁用作防腐噴涂層時，作用與鋅相似。它與鋅相比，比重輕，價格低廉，在含有二氧化硫的氣氛中耐腐蝕效果比較好。在鋁及鋁合金中加入稀土元素不僅可以提高涂層的結(jié)合強(qiáng)度而且可以降低孔隙率。鋁還可以用作耐熱噴涂層。鋁在高溫作用下，能在鐵基體上擴(kuò)散，與鐵發(fā)生作用生成抗高溫氧化的Fe3A1，從而提高了鋼材的耐熱性。鋁涂層己廣泛應(yīng)用于貯水容器、硫磺氣體包圍中的鋼鐵構(gòu)件、食品貯存器、燃燒室、船體和閘門等。

(3) 銅及銅合金

純銅主要用作電器開關(guān)和電子元件的導(dǎo)電噴涂層及人像、工藝品、水泥等建筑表面的裝飾噴涂層。黃銅噴涂層廣泛用于修復(fù)磨損及加工超差的零件，修補(bǔ)有鑄造砂眼、氣孔的黃銅件，也可作為裝飾噴涂層使用。鋁青銅涂層的結(jié)合強(qiáng)度高，抗海水腐蝕能力強(qiáng)，并具有很好的耐腐蝕疲勞和耐磨性。主要用于噴涂水泵葉片、氣閘閥門、活塞、軸瓦表面。

(4) 鎳及鎳鉻合金

鎳合金中用作噴涂材料的主要為鎳鉻合金，這類合金具有很好的抗高溫氧化性能，可在800℃高溫下使用，是日前應(yīng)用很廣的熱阻材料。鎳鉻涂層可以耐水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、氨、醋酸及堿等介質(zhì)的腐蝕，因此，鎳鉻合金被大量用作耐腐蝕及耐高溫噴涂層。例如，美國采用45CT(45％Cr、4％Ti，其余為Ni)絲材電弧噴涂鍋爐管道取得了良好效果。

(5) 碳鋼和低合金鋼

碳鋼和低合金鋼是廣泛應(yīng)用的電弧噴涂材料。它具有強(qiáng)度較高、耐磨性好、價格低廉等特點。電弧噴涂過程中碳和合金元素易燒損，易于造成涂層多孔和氧化物夾渣，使涂層性能下降，因此采用碳元素較高的碳鋼，以彌補(bǔ)碳元素的燒損。

(6) 粉芯絲材

國內(nèi)外已采用粉芯絲材作為電弧噴涂材料，我國已應(yīng)用3Crl3、4Crl3、7Crl3等絲材作為耐磨噴涂材料，同時具有良好的抗高溫穩(wěn)定性。

4電弧噴涂工藝在模具制造中的應(yīng)用

4.1 金屬噴涂制模法是模具快速制造的新技術(shù)

電弧噴涂在模具制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在模具的快速制造，也可用于模具的修復(fù)。西安交通大學(xué)2003年通過鑒定的“金屬噴涂快速模具制造技術(shù)及設(shè)備”成果，通過技術(shù)攻關(guān)，形成了以快速原型技術(shù)和金屬電弧噴涂技術(shù)為核心的模具快速制造集成系統(tǒng)，并在企業(yè)成功地實現(xiàn)了成果轉(zhuǎn)化。該成果將快速原型、金屬噴涂以及電刷鍍等技術(shù)有機(jī)結(jié)合，形成快速模具制造集成技術(shù)，其工藝過程包括：噴涂母模準(zhǔn)備、基體處理、金屬電弧噴涂、填充背襯材料、電刷鍍等環(huán)節(jié)。

金屬噴涂快速模具主要由金屬噴涂層、電刷鍍層以及背襯材料構(gòu)成，呈現(xiàn)梯度結(jié)構(gòu)特點，其中電刷鍍層提高了模具表面硬度（大于HV500）和耐磨性（提高3~10倍），玻璃鋼層和環(huán)氧樹脂層提高模具的整體機(jī)械性能，高強(qiáng)度水泥背襯降低了模具制造成本。該項技術(shù)適用于汽車制造和模具制造企業(yè)，能實現(xiàn)大型沖壓模具的快速制造，滿足一般汽車覆蓋件快速模具制造要求，制造成本只有傳統(tǒng)機(jī)械加工鋼模具的1/10，制造周期為后者的1/4~1/5，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀，非常適合于新車型開發(fā)中的樣車試制和小批量生產(chǎn)。

該技術(shù)也可以用于注塑模具快速制造。在注塑模快速原型制造中，金屬電弧噴涂制模法以樣模為標(biāo)準(zhǔn)，模具型腔尺寸、幾何精度完全取決于樣模，型腔表面及其精細(xì)花紋一次同時形成，故制模速度快，制造周期短，模具壽命長，成本低，僅為數(shù)控法加工鋼模具的1/3~1/5，模具表面光潔度好，工藝簡單，設(shè)備要求低，比較適合于注射成型模、壓鑄模、板料壓延模的快速制造。

4.2金屬電弧噴涂制模法具體工序

金屬電弧噴涂制模的工藝過程大致分為五個步驟：

（1）模型準(zhǔn)備。模型可由塑料、石膏、橡膠、木材等材料制成，首先建立三維模型，然后對其進(jìn)行分層切片，并由快速成型機(jī)制作出樣模。模型準(zhǔn)備中最重要的是清理模型表面和涂抹脫模劑。

（2）金屬噴涂模型。脫模劑干燥后，選擇最佳的噴涂參數(shù)，即可開始在模具上噴涂金屬，噴涂時應(yīng)保證使噴槍連續(xù)運(yùn)動，防止涂層過熱變形，涂層厚度一般控制在2~3㎜。

（3）制作模具框架。如果模具在工作中要受到內(nèi)壓力或模具必須安裝在成型機(jī)上工作，模具就必須有骨架結(jié)構(gòu)且制成的骨架應(yīng)帶有填料。

（4）澆注模具的填充材料。應(yīng)使填充材料具有較高的熱導(dǎo)率和較低的凝固收縮率以及較高的抗壓強(qiáng)度和耐磨性能，一般選擇的填充材料為環(huán)氧樹脂與鋁粉、鋁顆粒等金屬粉末的混合物。

（5）脫模及模具型腔表面拋光處理。脫模后要把殘留在金屬涂層表面的脫模劑清洗干凈，然后再根據(jù)不同的需要，對模具進(jìn)行拋光等后期制作。

（6）組裝試模。

4.3 金屬電弧噴涂制模法的局限性

用于電弧噴涂制模的材料，在滿足低熔點、低收縮率的情況下，應(yīng)盡可能具有較好的力學(xué)性能和較致密的涂層組織。目前市場提供的電弧噴涂用絲材有鋁、鋅、銅、鎳、不銹鋼、鋁青銅、巴氏合金、復(fù)合絲等許多品種。但高熔點金屬，如鋼、鎳、銅等在噴涂時涂層收縮率、熱應(yīng)力、孔隙率都比較大，涂層易開裂、翹曲、剝落，所以目前只有低熔點的鋅、鋁絲材適合用于模具制造。