电弧喷涂工艺及其在模具制造中的应用

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1电弧喷涂的原理
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! w: i# h0 F4 z) E1 Y电弧喷涂是利用两根连续送进的金属作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，利用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以高的速度喷向工件表面形成涂层的一种热喷涂方法。喷涂时，两根丝状金属喷涂材料通过送丝装置均匀连续的分别送进电弧喷涂枪中的导电嘴内，导电嘴分别接电源的正负极并保证两根丝材在未接触前的可靠绝缘。当两根金属丝材端部由于送进而相互接触时，发生短路而产生电弧，使丝材端部瞬间熔化，压缩空气将熔融金属熔化成微熔滴，以很高的速度喷射到工件表面，形成电弧喷涂层。

2电弧喷涂工艺的特点
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电弧喷涂作为一种新型的热喷涂方法，有许多显著的优点。

2.1涂层结合强度较高、硬度高、孔隙率低
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电弧喷涂时，熔滴温度可达6000℃以上， 微熔滴加热温度、喷射速度都比火焰喷涂时高，因此粒子的动能和热能都比较高，从而获得较高的结合强度和涂层强度。试验证明，电弧喷涂的结合强度约是火焰喷涂层的2.5倍。电弧喷涂形成的涂层硬度要比喷涂材料高30％－80％。电弧喷涂涂层的孔隙率小于8％，低于火焰喷涂所得的涂层的孔隙率。
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2.2生产率高、安全可靠，喷涂工件不变形

* h6 W$ Y, @# v* B电弧喷涂的生产率正比于喷涂电流，它的高效率表现在单位时间内喷涂金属的用量大。试验证明：喷涂电流为300A时，喷Zn效率可达30kg/h，喷Al可达10 kg/h。电弧喷涂技术仅使用电源和压缩空气，不用氧气、乙炔等易燃气体，安全性高，喷涂工件不变形。
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$ @! F; ]0 j5 \2 M2.3能源利用率高，喷涂成本低
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0 h! ^* h* @' A% E4 \6 f% `电弧喷涂的节能效果十分突出，能源利用率显著高于其他喷涂方法，而能源费用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之电能的价格又远低于氧气和乙炔，其费用通常仅为火焰喷涂的1/5～1／10，等离子喷涂成本的1/5～1／20，而其喷涂效率却提高了近一倍。
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7 ^( c" k2 R6 m2.4设备造价低、使用维修方便、便于现场施工

电弧喷涂设备成本只有等离子喷涂设备的1/4～1／6。而且电弧喷涂设备体积小、重量轻、移动方便、易损件少，维修方便，易于现场施工。
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3电弧喷涂设备及材料

$ c6 S3 o' q; d  z/ k0 j  r5 d3.1 电弧喷涂设备
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电弧喷涂设备由电弧喷涂枪、控制箱、电源、送丝装置及压缩空气系统等组成。
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(1) 电弧喷涂电源
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国外近年来电弧喷涂电源均采用平的伏安特性。过去采用直流电焊机作为电弧喷涂电源，由于电焊机具有陡降的外特性，电弧工作电压在40V以上，使喷涂过程中碳烧损大，降低涂层硬度。平的伏安特性电弧喷涂电源可以在较低的电压下喷涂，使涂层中碳的烧损大为减少(约减少50％)，可以保持良好的弧长自调节作用，能有效的控制电弧电压。平特性的电源在送丝速度变化时，喷涂电流迅速变化，维持稳定的电弧喷涂过程。根据喷涂丝材选择一定的空载电压，改变送丝速度可以自动凋节电弧喷涂电流，从而控制电弧喷涂的生产率。

(2) 电弧喷枪
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! H6 P" i: r3 i& c) C' k! i0 [0 m7 t电弧喷枪是电弧喷涂设备的关键装置。其作用是将连续送进的丝材在喷枪前部一定的角度相交，由于丝材各自接于直流电源的两极而产生电弧，从喷嘴喷射出的压缩空气流对着熔融金属吹散形成稳定的雾化金属粒子流。
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3.2 电弧喷涂材料

电弧喷涂材料主要包括有色金属丝材(铝、锌、铜、镍等金属及其合金)、黑色金属丝材(碳钢，不锈钢)。目前，国内外试用2-3mm的粉芯丝材，在其中填充所需的合金粉末，以获得合金喷涂层。
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$ \, C+ Q4 y/ l8 r(1) 锌及锌合金

锌为银白色金属，在大气或水中具有良好的耐腐蚀性，对钢铁基材还具有电化学保护作用。而在酸、碱、盐中不耐腐蚀，当水中含有二氧化硫时，它的耐腐蚀性能很差。在锌中加入铝可以提高喷涂后的耐腐蚀性能，因此目前大量使用Zn-A1合金喷涂材料。锌喷涂层已广泛应用于室外露天的钢铁构件，如水门闸、桥梁、铁塔和容器等。

3 Y9 n6 S7 q0 B. d9 I(2) 铝及铝合金
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铝用作防腐喷涂层时，作用与锌相似。它与锌相比，比重轻，价格低廉，在含有二氧化硫的气氛中耐腐蚀效果比较好。在铝及铝合金中加入稀土元素不仅可以提高涂层的结合强度而且可以降低孔隙率。铝还可以用作耐热喷涂层。铝在高温作用下，能在铁基体上扩散，与铁发生作用生成抗高温氧化的Fe3A1，从而提高了钢材的耐热性。铝涂层己广泛应用于贮水容器、硫磺气体包围中的钢铁构件、食品贮存器、燃烧室、船体和闸门等。
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(3) 铜及铜合金
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纯铜主要用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及人像、工艺品、水泥等建筑表面的装饰喷涂层。黄铜喷涂层广泛用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、气孔的黄铜件，也可作为装饰喷涂层使用。铝青铜涂层的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的耐腐蚀疲劳和耐磨性。主要用于喷涂水泵叶片、气闸阀门、活塞、轴瓦表面。

, t7 |9 B$ @+ P(4) 镍及镍铬合金
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镍合金中用作喷涂材料的主要为镍铬合金，这类合金具有很好的抗高温氧化性能，可在800℃高温下使用，是日前应用很广的热阻材料。镍铬涂层可以耐水蒸气、二氧化碳、一氧化碳、氨、醋酸及碱等介质的腐蚀，因此，镍铬合金被大量用作耐腐蚀及耐高温喷涂层。例如，美国采用45CT(45％Cr、4％Ti，其余为Ni)丝材电弧喷涂锅炉管道取得了良好效果。
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% e7 R" X7 X4 n) J4 M(5) 碳钢和低合金钢
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) z) Z% T$ `7 S9 L  H碳钢和低合金钢是广泛应用的电弧喷涂材料。它具有强度较高、耐磨性好、价格低廉等特点。电弧喷涂过程中碳和合金元素易烧损，易于造成涂层多孔和氧化物夹渣，使涂层性能下降，因此采用碳元素较高的碳钢，以弥补碳元素的烧损。

) s: J& n2 [/ I0 v9 j; d0 T1 B. k(6) 粉芯丝材

国内外已采用粉芯丝材作为电弧喷涂材料，我国已应用3Crl3、4Crl3、7Crl3等丝材作为耐磨喷涂材料，同时具有良好的抗高温稳定性。
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4电弧喷涂工艺在模具制造中的应用
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4.1 金属喷涂制模法是模具快速制造的新技术

; q: X2 u1 i: ?; X. J2 D电弧喷涂在模具制造中的应用主要体现在模具的快速制造，也可用于模具的修复。西安交通大学2003年通过鉴定的“金属喷涂快速模具制造技术及设备”成果，通过技术攻关，形成了以快速原型技术和金属电弧喷涂技术为核心的模具快速制造集成系统，并在企业成功地实现了成果转化。该成果将快速原型、金属喷涂以及电刷镀等技术有机结合，形成快速模具制造集成技术，其工艺过程包括：喷涂母模准备、基体处理、金属电弧喷涂、填充背衬材料、电刷镀等环节。

金属喷涂快速模具主要由金属喷涂层、电刷镀层以及背衬材料构成，呈现梯度结构特点，其中电刷镀层提高了模具表面硬度（大于HV500）和耐磨性（提高3~10倍），玻璃钢层和环氧树脂层提高模具的整体机械性能，高强度水泥背衬降低了模具制造成本。该项技术适用于汽车制造和模具制造企业，能实现大型冲压模具的快速制造，满足一般汽车覆盖件快速模具制造要求，制造成本只有传统机械加工钢模具的1/10，制造周期为后者的1/4~1/5，经济效益十分可观，非常适合于新车型开发中的样车试制和小批量生产。
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9 C; g7 }: n* d! l/ x8 V该技术也可以用于注塑模具快速制造。在注塑模快速原型制造中，金属电弧喷涂制模法以样模为标准，模具型腔尺寸、几何精度完全取决于样模，型腔表面及其精细花纹一次同时形成，故制模速度快，制造周期短，模具寿命长，成本低，仅为数控法加工钢模具的1/3~1/5，模具表面光洁度好，工艺简单，设备要求低，比较适合于注射成型模、压铸模、板料压延模的快速制造。

4.2金属电弧喷涂制模法具体工序
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+ \+ k# b6 x- q. E/ Q金属电弧喷涂制模的工艺过程大致分为五个步骤：
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（1）模型准备。模型可由塑料、石膏、橡胶、木材等材料制成，首先建立三维模型，然后对其进行分层切片，并由快速成型机制作出样模。模型准备中最重要的是清理模型表面和涂抹脱模剂。
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（2）金属喷涂模型。脱模剂干燥后，选择最佳的喷涂参数，即可开始在模具上喷涂金属，喷涂时应保证使喷枪连续运动，防止涂层过热变形，涂层厚度一般控制在2~3㎜。
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（3）制作模具框架。如果模具在工作中要受到内压力或模具必须安装在成型机上工作，模具就必须有骨架结构且制成的骨架应带有填料。
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3 m4 x$ ]! N4 d（4）浇注模具的填充材料。应使填充材料具有较高的热导率和较低的凝固收缩率以及较高的抗压强度和耐磨性能，一般选择的填充材料为环氧树脂与铝粉、铝颗粒等金属粉末的混合物。

（5）脱模及模具型腔表面抛光处理。脱模后要把残留在金属涂层表面的脱模剂清洗干净，然后再根据不同的需要，对模具进行抛光等后期制作。
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（6）组装试模。

4.3 金属电弧喷涂制模法的局限性
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7 b5 l% s. ?7 d1 Y1 n/ b用于电弧喷涂制模的材料，在满足低熔点、低收缩率的情况下，应尽可能具有较好的力学性能和较致密的涂层组织。目前市场提供的电弧喷涂用丝材有铝、锌、铜、镍、不锈钢、铝青铜、巴氏合金、复合丝等许多品种。但高熔点金属，如钢、镍、铜等在喷涂时涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，涂层易开裂、翘曲、剥落，所以目前只有低熔点的锌、铝丝材适合用于模具制造。
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