模具表层等离子覆盖层特性的实验与测定

 　　由于模具表面形状复杂，且失效模具修复后直此外，由试验还可知，声极表面网纹的深度、声极与工件之间的初始距离等因素也会影响焊接效果。试验方案3进行的是超声金属滚动焊接，由于焊接功率和焊接压力较大，所以焊接过程中焊件的变形较大。接应用于生产，一般无法对喷涂面进行直接检验，这给喷涂质量的检测与分析带来很大的难度。本研究采用模拟试验法对等离子喷涂的陶瓷涂层进行检测和分析，为等离子喷涂陶瓷涂层修复塑料模具提供技术支持。

　　1研究对象及试验基础

　　研究对象：以修复后的塑料注射模表面涂层为主，与其他塑料模具进行对比。

　　模具基体材料： 45钢、SM 45.

　　喷涂陶瓷材料： NiO 2、Al 2 O 3 + 40 T iO 2和Ni/ Al 2 O 3等。

　　测试设备：表面硬度测试议、表面粗糙度测试仪、X射线衍射分析仪、X射线荧光分析仪、电子探针仪、扫描电镜、金相显微镜等。

　　实验方法：模拟试验法。

　　测定项目：弯曲试验、杯突试验、结合强度试验（含拉伸、剪切和涂层自身抗拉强度）、涂层孔隙率测定（浮力法和直接称量法）、涂层硬度测定等。本研究主要测定涂层结合强度（含拉伸、剪切和涂层自身抗拉强度）、涂层孔隙率、涂层硬度测定等几个方面的性能指标。

　　2涂层试样的制备与组织观察

　　2. 1试样的制备塑料模具基体材料采用45钢和SM45，将试验材料切成25 mm # 16 mm # 7 mm的形状，试块经喷砂或粗砂轮打磨后形成粗化表面，然后在粗化面上依次喷涂粘接底层及表面涂层。为了保证涂层的性能及厚度的均匀性，每次喷涂厚度在0. 2 mm左右，喷涂分2 3次完成。

　　金相试样的制备包括切样、嵌样、磨样、抛光、清洗等过程，由于涂层组织的特殊性，对涂层试样的制备有一定的特殊要求：一是要注意不能破坏涂层中微粒的组织结构，尽量避免把涂层微粒拖拽出来，所以切样时须从涂层向基体切去；二是抛光时用力要尽可能地小，切样、磨样时要防止涂层过热。

　　2. 2金相组织观察与分析

　　涂层金相观察的主要内容有：涂层组织结构、基体相、硬质相、主相的含量及分布状况、涂层与试块（基体）及涂层间的结合状况。观察时以涂层试样的横断面作观察面。

　　2. 3 X射线衍射分析

　　X射线衍射分析的目的在于确定界面的生成物。首先将喷涂好的试样用磨床磨平，经砂纸打磨后，用日本理学DMAX RC型X射线衍射分析仪进行分析，实验条件为CuKa辐射，加速电压50 kV，工作电流180 mA，扫描速度2？/ min.利用直接对比方法，将X射线衍射图谱中的衍射峰与卡片中的物质的衍射峰进行比较，确定出涂层材料的截面生成物。

　　2. 4扫描电镜（ SEM）、能谱分析

　　在扫描电镜下观察涂层的形貌及耐磨涂层与对磨环的磨面和磨屑形貌，利用能谱分析各主要相元素分布的变化情况。

　　2. 5涂层分析

　　等离子喷涂陶瓷涂层后的涂层性能，决定了采用这种表面修复技术的可行性以及模具的修复效果和使用寿命。从涂层的微观组织结构分析来看，涂层中存在一定的孔洞、疏松、微裂纹，有密度低、硬度低、模具表面与涂层间的结合较为薄弱等缺陷。同时也可以得出涂层与模具表面间的结合是以机械结合为主，少部分为冶金结合。因此，对涂层性能的研究与分析主要是涂层结合强度、显微硬度、残余应力、机械性能、孔隙率等方面的内容。

　　对涂层表面性能检测一般可分为两类：一类是涂层的物理、机械和化学性能的检测；另一类是涂层使用性能的检测。这里既包括实验室中模拟和强化模拟的摩擦磨损试验、腐蚀试验以及疲劳试验等，也包括一些现场工况试验。对涂层的物理、机械、化学性能的检测是为了测定涂层能否满足材料标准规定的要求，它也是能否达到模具重复使用效果的保证；而模拟的实验室试验和现场工况试验是为了优选涂层的各种合金材料、工艺及检验涂层的使用效果。

　　对模具表面陶瓷涂层性能进行检测的另一个重点是，检测陶瓷涂层与基体的结合强度及它们的综合特性。因为在实际使用过程中，涂层不完全是一个独立的组元，涂层的使用性能不仅取决于涂层本身的特性，且与模具基体材料本身的特性以及它们的界面条件和结合机理有关。涂层本身的性能、涂层与模具基体的结合强度及其综合特性，终决定了模具的修复效果和使用寿命。

　　3涂层性能检测定与分析

　　3. 1涂层厚度的测定与分析涂层厚度是塑料注射模修复后首先要测定的定量参数，除了尺寸公差以外，涂层厚度在模具磨损、

　　腐蚀和模具使用过程中都是非常重要的参数，且涂层厚度直接关系到等离子喷涂技术的可行性和经济性。所需涂层厚度的控制主要根据模具腐蚀磨损的情况、喷涂后选用的加工方法和加工余量等因素确定。根据喷涂工艺和涂层性能的要求，每次喷涂的厚度为0. 2 mm.

　　测定涂层厚度的方法有光学法、机械法、电子法、磁性法、电磁法、放射性法等。本研究采用X射线散射测厚仪进行测定，度误差小于2.

　　3. 2涂层密度的测定与分析

　　涂层密度是涂层的另一个重要参数，涂层密度的大小取决于涂层材料的成分和物理结构。对于等离子喷涂陶瓷涂层来说，由于它的质量和体积都很小，密度的测定存在着一定的误差，加之涂层的不均匀性以及表面粗糙度、空隙、裂纹、凹槽等都可能导致涂层密度测量误差的增大。本研究采用液态称重法进行涂层密度的测定，其测量精度可达0. 02.

　　具体测定时取试样3个，用914胶将未喷涂的一面及周边封好，在加热炉中烘干（ 50 ） ，然后用质量可忽略不计的细线将试样系好，用电光分析天平（ TG328B型）分别称出其在空气和浸入水中的质量（到0. 1） ，通过密度测定得到的结论是：涂层密度与模具基体材料密度基本相同，可以满足密度要求。

　　3. 3涂层孔隙度的测定与分析

　　等离子喷涂陶瓷材料修复模具，其工艺过程包括了从气相到固相的相变过程，同时伴有很大的密度变化，因此，在涂层中由于空穴和空洞造成的不均匀的体积缺陷几乎是不可避免的。这些空穴和空洞就形成了微观疏松。如果喷涂材料的尺寸较大，空洞的尺寸也会增大，从而形成气孔。

造成涂层孔隙度的原因是复杂的。等离子涂层实际上是由一个个的粒子层状叠加镶嵌构成的，因此，涂层的性能与各个粒子的速度、尺寸和熔化程度有关。在不减少涂层强度的情况下，控制粒子速度、温度，可以获得不同的孔隙度。孔隙度还与喷涂中粗粉与细粉的比例以及粗粉的粒度大小有关。涂层孔隙度的测定可分为直接观测法和间接法。测定的设备：间接法为光学显微镜、扫描电镜、透射电镜、X射线散射仪；直接法为水银空隙仪、光学电容仪、孔洞腐蚀试验、电化学极化及放射线照相法等。德国工业标准DIN 51056< 53> ，涂层孔隙度测定采用阿基米德法。即用电光分析天平称出试样在空气中的重量，将试样浸入已知密度的液体中（本研究采用蒸馏水） ，保持10 min，使开口气孔中的空气全部被蒸馏水置换出，然后取出试样，用擦镜纸擦干后立即称出试样浸满液体时的重量，再计算出试样涂层的孔隙度，取其平均值。Ni/ Al 2 O 3涂层组织主要为金属相，金属熔点低，液态流动性好，组织在凝固时间隙被金属填充，所以涂层组织孔隙度低。Al 2 O 3 + 40 T iO 2为陶瓷相，熔点高，液态流动性差，组织间浸润性差，凝固时自填充孔隙能力差，形成孔隙较多。本研究中，等离子喷涂陶瓷涂层的孔隙度均在6以下，完全可以满足模具使用的要求。

　　3. 4涂层结合强度测定与分析

　　涂层与模具基材表面的结合强度是衡量涂层综合性能的一个重要指标，它直接影响到修复后的模具使用和寿命。结合强度指的是从模具表面去除涂层时所需的应力值。测定涂层结合强度的方法很多，大致可以分为3类：核方法、机械方法、其他方法。本研究采用机械方法中的直接拉伸法和侧向发离法来测定涂层的结合强度。

　　3. 4. 1直接拉伸法

　　直接拉伸法的测定采用国标GB/ T 8642- 1988中的对偶试样拉伸法（。试样模具基体材料采用45钢和SM 45钢，每组取3对，将对偶36试样按实际喷涂工艺进行喷涂，磨平涂层表面，涂层小厚度不得小于0. 4 mm，然后采用高强度环氧树脂胶粘剂按粘结工艺将对偶件与试件粘在一起，然后在拉伸试验机上均匀加载，直至试件被拉断。试验时要注意保证试件的同心度。记录拉断载荷， NiO 2和Ni/ Al 2 O 3涂层破断主要发生在Ni/ Al粘结底层与模具基体的分界面上，说明涂层与基体的结合主要为机械结合。Al 2 O 3 + 40 TiO 2试样断裂发生在涂层同Ni/ Al的分界面上，此结合面为脆断面，主要原因是陶瓷相同金属相润湿角大（ 104117， 1 000 ） ，据有关文献， Al 2 O 3等陶瓷与大多数液态金属浸润性较差，只有在很高的温度下它们的浸润角才会小于90.浸润性差造成喷涂后涂层应力集中，故结合强度低，所以Al 2 O 3 + 40 T iO 2的结合强度较低。Ni/ Al 2 O 3（含Ni 97）涂层由于金属间的浸润性好，故结合强度高。NiO 2合金涂层成分相较多，凝固时涂层内残余应力较大，拉应力集中，降低了Ni/Al底层同基体的结合强度。

　　（ a）双面胶呈180拉伸

　　（ b）双面胶呈90拉伸

　　3. 4. 2侧向发离法（剪切法）

　　侧向发离法（剪切法）是表征涂层承受切线方向（沿涂层表面）剪切应力的极限应力。采用国标GB/ T 8642- 1988中的试样剪切法（，试样采用45钢和SM45钢，试样表面经喷砂处理后按实际喷涂工艺进行喷涂，喷涂后对涂层表面进行磨削使涂层厚度一致，涂层不得小于0. 6 mm.在万能材料试验机上施加一个侧向力使涂层从基体上分离出来，直至涂层环被剪切掉。加载时要做到无冲击缓慢加载（加载速度约为30 40 mm/ min） ，读取剪掉涂层环时的大压力，按= P/ （ DS ）计算抗剪切。　　

　　涂层的剪切结合强度明显高于正断结合强度，剪切时，涂层先出现裂纹，然后破碎，后从基体上剥落。NiO 2与Ni/ Al 2 O 3涂层切断面主要在底层（ Ni/ Al）与模具基体间产生。Al 2 O 3 + 40 TiO 2切断面发生在陶瓷同Ni/Al的分界面上，证明其为脆断面。陶瓷相与底层（ Ni/ Al）的结合强度小于底层（ Ni/ Al）同合金涂层（ NiO 2）、金属涂层（ Ni/ Al 2 O 3）、模具基体间的结合强度。由于涂层结合强度受涂层中残余应力的影响很大（残余应力主要表现为拉应力和压应力的集中） ，而剪切力垂直于残余拉（压）应力，所以涂层的剪切结合强度受残余应力的影响较正断结合强度小。

　　检测实验表明，涂层与模具表面的结合强度与模具基材的强度基本一致，甚至更高，完全能够保证修复后的模具使用寿命。

　　3. 5涂层硬度测定与分析

　　涂层硬度指的是涂层对塑性变形的抗力，在磨料磨损等条件下，硬度与抗磨损能力有较密切的依赖。一般情况下，构成涂层的微粒本身的硬度要比涂层材料的硬度高，这有助于增强涂层的耐磨损性能。涂层硬度测量有静态压痕硬度、反弹或动态硬度、擦伤硬度三大类，本研究采用静态压痕硬度测定法。测量时应注意，压痕深度不能超过涂层厚度的10 20 ，也就是说，测量时施加的法向载荷要小。一般的显微硬度计其小施加载荷为1 g，它可以产生的压痕深度为零点几个毫米，如果所需施加载荷为5 100 mg，这时压痕尺寸接近光学显微镜分辨率的极限，光学显微镜难以测量这么小的压痕，故采用压痕计测定涂层硬度时要配一台扫描电镜进行测量。涂层试样表面磨光后，就可以进行硬度测定。由于喷涂方法及喷涂条件的不同，使涂层结晶微粒的大小与结构、气孔的多少与大小、氧化物等化合物的含量等也有一定的差异，涂层的硬度也就不同。由于涂层具有多相结构的非均一性，宏观硬度并不能全面反映涂层的性能，故不能将涂层的宏观硬度直接与金属材料的宏观硬度进行比较。本研究采用金相显微硬度计测定涂层的显微硬度，并分析涂层的耐磨性。具体做法是：每种涂层做3个试样，每个试样根据主要的金相组织，各测3个值，取其平均值作为测定结果。涂层表面硬度差别较小， NiO 2涂层的硬度略高一些，说明其中的硬质相CrB比Al 2 O 3 + 40 T iO 2和Ni/ Al 2 O 3中的硬质相的显微硬度高，其硬质相的硬度高，涂层孔隙度低。正是由于这种涂层组织的特殊性，造成涂层硬度的非均一性。

　　3. 6涂层耐磨性测定与分析耐磨性的测定

　　一般要根据实际工况的接触条件和载荷情况进行专门的设计。一般摩擦磨损试验的测定有销-盘式、环-块式、四球机等。

　　摩擦磨损试验在MM 200型磨损试验机上进行，本研究采用环块相对滑动对磨方式，试块与对磨环的接触方式如图3所示。测试时试块不动，通过磨环旋转实现相对滑动。试块尺寸9 mm 9. 8 mm 12 mm，磨环材料为GCr15，硬度60 HRC，尺寸为直径38 10 mm.滑动摩擦磨损有干磨损和油磨损两种，润滑油采用20号机械油，采用滴注到环块上的方式润滑。相对滑动线速度分别为0. 4、0. 8 m/ s.大载荷为1 960 N.

　　具体做法：试块在喷涂前经粗砂轮打磨，喷涂后底层厚度为0. 2 mm左右，表面喷涂之后用丙酮清洗每一个面，再置入100 烘箱中烘干，时间不少于30 min.磨损过程中采用自动跟踪和手动跟踪两种方法记录下摩擦力矩，卸载后用金相显微镜和测微目镜测量试块上的磨痕宽度。对每种试验状态做3个试块，然后取其平均值，其测量精度可达25 50 nm.耐磨性测量结果显示，涂层的耐磨性不仅完全能满足使用要求，且表面耐磨性还有较大的提高，从而提高了模具的使用性能和寿命。

　　3. 7涂层表面粗糙度测定与分析

　　表面粗糙度的测定是将喷涂NiO 2、Al 2 O 3 + 40TiO 2和Ni/Al 2 O 3的试样分别与表面粗糙度标准样块进行对比，得出涂层的表面粗糙度，陶瓷的熔点、线膨胀系数、体积收缩率差别较小，浸润性好，凝固后表面组织均匀，涂层内残余应力小，表面粗糙度明显要好。从金相组织看，涂层表面粗糙度值高主要是由于喷涂粒子变形、氧化物夹杂和气孔造成的。另外，粉末被送到加热区熔化时，由于送粉速度、功率波动或枪距、粉的粒度不同，颗粒的熔化程度也不同，在喷涂时得不到百的熔化颗粒，也会影响涂层表面粗糙度。因此要降低涂层表面粗糙度值，在优化涂层材料的同时，必须优化喷涂工艺。从3种涂层的表面粗糙度看，均不能直接用于有表面粗糙度要求的塑料注射模，须重新进行表面加工后才能使用。

　　4结论

　　实践证明，采用等离子喷涂陶瓷涂层修复模具，不仅可行而且不失为一种上佳的修复方法，所得的陶瓷涂层具有孔隙度低，组织密致，涂层与模具结合强度高，涂层硬度和耐磨性、耐腐蚀性高等特点，完全可以满足失效模具修复的目的，且使模具寿命大幅度提高，经济效益显著。

来源：中国模具网

(来源：)