［摘 要］
针对铝合金压铸模具极易出现点蚀、磨损以及脱模性能差等问题，采用等离子喷涂工艺在模具材料 H13 钢基体上制备 Al2O3-TiO2陶瓷硬质涂层，通过正交试验优化了喷涂电流、喷涂电压、喷涂距离。分析结果表明: 采用优化工艺对模具材料进行表面强化处理，显著改善了模具材料的硬度、耐磨性及脱模性，表面平均硬度最高可达 976． 1HV，摩擦系数在 0． 4 左右，浸高温铝液后的粘铝较少。
［关键词］铝合金; 压铸模; 等离子喷涂; 表面强化; 脱模性能
铝合金压铸件生产中，压铸模受到铝合金熔液高速、高压冲刷及合模、开模、冷却过程中的剧烈热交换等作用，极易因工作表面出现龟裂、腐蚀磨损、麻点、粘铝、脱模变差等早期失效而报废［1—4］。与国外相比，国内铝合金压铸模具的寿命更短，一般为 4 ～8 万模次，仅相当于德国、日本等发达国家的1/3 或1/5［5—8］。为了提高模具的使用寿命，国内外学者针对模具表面强化开展了大量的研究工作，并取得了丰硕的成果。
目前，模具表面强化工艺主要有电火花表面强化法、渗硼法、离子氮化法、CVD 法、PVD 法、激光表面强化法、离子注入法等［9—11］。生产实践表明，这些表面强化工艺在延长模具使用寿命方面发挥了重要作用，但都存在不足: 电火花表面强化的效率低，强化层薄且表面粗糙; 渗硼层脆性大; 离子氮化层硬度低且硬度和渗层不均匀，易引起变形超差等问题; CVD 和 PVD 的沉积温度高，对工件影响大; 激光表面强化法、离子注入法等所需设备昂贵，投资较大。上述不足是制约这些表面强化技术在工业生产中得到更广泛应用的关键和瓶颈。
文中结合铝合金压铸模具失效分析和模具的实际工作要求，采用等离子喷涂技术在 H13 基体上制备Al2O3-TiO2陶瓷硬质涂层，着重围绕工艺参数优化、涂层耐磨性和脱模性分析展开研究，以期获得能指导生产实践的高效率、低成本强化工艺。
1 试验
1． 1 喷涂涂层
以50 mm ×50 mm ×3 mm 的H13 钢( 4Cr5MoSiV1) 作为基材，喷涂材料选用 Al2O3-TiO2陶瓷粉末。为了增强涂层与基体的结合强度，对基体表面进行喷砂处理: 采用砂粒 G14 激冷钢砂，喷砂压力 0． 6 MPa，喷砂角度85° ～ 90°，喷砂距离 150 mm，基体表面出现均匀的麻点及金属光泽后停止喷砂。
先用 ZB-80 等离子喷枪在不送粉的情况下预热基体，预热温度( 200 ± 10) ℃，然后制备厚 0．3 mm 的Al2O3-TiO2涂层。在涂层制备过程中，等离子喷涂电压、电流、喷涂距离对涂层的质量影响较大。送粉量一定时，若喷涂功率过小，则喷涂材料熔化不良，涂层中易出现夹渣缺陷，且涂层致密性差，与基体结合不牢固，表面强度不高，耐磨性差; 反之，如果喷涂功率过大，粉末熔化完全，但粉末烧损、氧化严重，同样影响涂层质量。此外，如果喷涂距离过小，熔融粉末的加速时间短，动能低，会使得涂层结合强度差，且容易使工件局部温度过高，导致工件出现热变形，涂层应力变大;若喷涂距离过大，熔滴到达工件表面时的温度过低或氧化程度大，也会降低涂层的结合强度。因此，选择涂层表面性能的主要影响因素———喷涂电流 I、喷涂电压U、喷涂距离 L，以涂层显微硬度为考察指标，根据L9( 33) 正交表进行正交试验，以优化这三个工艺参数。
因素水平见表 1，用极差分析法和方差分析法进行数据分析与处理。喷涂时，其它工艺参数见表 2。
1． 2 测试方法
涂层显微硬度用 MH-6 显微硬度计进行测试，同一试件在相同条件下重复测量 3 次，取算术平均值作为测试结果。
用 HSR-2M 往复摩擦磨损试验机对比涂层与 H13钢基体的摩擦系数，以验证涂层的强化特性。试验参数如下: 载荷为 10 N，运行速度为 200 次/min，时间 20min。用LEICADM4000m 光学显微镜观察涂层的摩擦磨损形貌。
在两块相同形状、相同表面积的 H13 钢基体上分别喷涂水基脱模剂层和 Al2O3-TiO2涂层，将两试样同时浸入高温铝液 1 min，取出后用 BSA224S 型分析天平测试其粘铝量，以验证涂层的脱模性能。
2 结果与讨论
2． 1 正交试验分析
涂层硬度测量结果及极差分析结果见表 3，方差分析见表 4。根据表 3 数据，确定各因素影响涂层硬度的主次顺序为 I，L，U。此外由表 3 还可知，喷涂距离增大，涂层显微硬度呈下降趋势，极差值 R 为 42． 6;喷涂电流增大，显微硬度呈上升趋势，极差值 R 达到73; 喷涂电压增大，涂层的显微硬度变化较小，且比较平稳，极差值 R 仅为 8． 1。综合考虑，确定最优方案组合为 A3B2C1，即试验 8#所设计的工艺。由表 4 可知，因素 A 和因素 C 的改变对涂层硬度有显著影响，因素B 的改变对涂层硬度影响不大。
2． 2 摩擦磨损性能分析
H13 钢基体与最优工艺所得涂层的摩擦系数变化曲线见图 1。由图 1 可知，H13 的摩擦系数稳定在 0．8左右，而 Al2O3-TiO2涂层的摩擦系数稳定在 0． 4 左右，远低于 H13，说明耐磨性较好。
图2a 为基体 H13 钢表面的摩擦磨损形貌，可以看到明显的切削和耕犁，沟痕较多( B 处) ，甚至还出现了局部小面积脱落( A 处) ，表明 H13 基体抗摩擦磨损的性能较差。图 2b 为 Al2O3-TiO2涂层表面的摩擦磨损形貌。由图 2b 可知，在相同的试验条件下，Al2O3-TiO2涂层未出现较为明显的耕犁和切削等摩擦磨损迹象，主要是由于具有较高硬度和高耐磨性的 Al2O3陶瓷材料起到了一定的作用。
2． 3 脱模性能分析
图 3 是喷涂水基脱模剂层试样和喷涂 Al2O3-TiO2涂层试样从铝液中取出后的粘铝效果图，可见在相同情况下，前者粘铝较为严重，经测量，平均粘铝量为51． 25 g，脱模性能较差; 后者粘铝较少，经测量，平均粘铝量为 20． 45 g，脱模性能明显更好。
3 结论
1) 等离子喷涂 Al2O3-TiO2涂层时，喷涂电流对涂层硬度的影响较大，喷涂距离次之，而喷涂电压的影响较小。优化的喷涂工艺参数为: 喷涂电流 650 A，喷涂电压 55 V，喷涂距离 100 mm。
2) 等离子喷涂 Al2O3-TiO2涂层的平均硬度最高可达 976． 1HV，摩擦系数仅为 0． 4 左右，且涂层浸高温铝液后的粘铝较少，表明涂层的耐磨性和脱模性较高。
参考文献略
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