李德元，姜力，韩子阳，宋学毅
(沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳110870)
摘要:为了解决电弧喷涂锌铝合金制造而成的模具表面硬度低、不耐磨损等问题，需要在锌铝合金表面进行镀层的处理，即通过电镀在模具表面进行铜镀层的制备.通过扫描电子显微镜对锌铝合金涂层和铜镀层进行了孔隙和夹杂物的观察，并测试了锌铝合金喷涂层和铜镀层的显微硬度，对喷涂层和电镀层进行了结合强度的测试.结果表明:通过对锌铝合金模具表面进行镀层处理，消除了模具表面缺陷，使模具的硬度、表面强度、表面光洁度和耐蚀能力都有很大的提高.
关键词:电弧喷涂;表面;模具;性能;显微硬度;孔隙;喷涂层;电镀
中图分类号:TG 76文献标志码:A
文章编号:1000-1646(2011)03-0241-05
电弧喷涂快速制模技术是近十年来发展较快的一种新的制模技术，因其具有效率高、损耗低和易操作等优点而倍受瞩目[1].目前，发达国家已经将电弧喷涂技术用于模具制造，如美国的TAFA公司将电弧喷涂制模应用于汽车行业的聚氨酯制品和制鞋工业中[2];福特公司采用多个喷嘴的电弧喷涂设备，可以制作高熔点的电弧喷涂模具[3-4]，采用4喷枪机器人操作的喷涂工艺，已经可以制造2 438 mm×2 438 mm的模具;MCP公司用电弧喷涂模具制造聚亚氨酯鞋底，能够达到10万件以上.在我国，西安交通大学激光快速成型及模具制造中心利用热喷涂技术成功研制了使用寿命达数千次的农用滴灌喷头的锌铝合金模具.电铸制模具有良好的复制精度.目前已在航空、仪器仪表、塑料、精密机械等行业发挥了重要作用[5-6]，并已成功用于EDM电极、注塑模具、光碟压模等的制造[7-8].电铸模具的复制性能要高于电弧喷涂模具，但电弧喷涂制模周期远远短于电铸制模周期，生产成本也低于电铸制模的成本，其制模工艺相对简单.因此，将电铸与电弧喷涂相结合制造模具，可显著缩短模具生产周期，降低模具生产成本，是快速制模技术中的一个发展方向[9-10].
1·实验部分
采用2种不同的实验方案将电铸与电弧喷涂相结合进行模具的制造，并且比较了2种不同方案的优缺点:
1)先用电弧喷涂在聚氯乙烯原型上面喷涂具有一定强度和硬度的锌铝合金涂层，从而形成所需模具的型腔，然后通过加热将聚氯乙烯原型和涂层分离.在模具型腔的内表面进行化学镀铜的处理，再利用电镀进行铜镀层的加厚，以解决锌铝合金喷涂模具的封孔性差问题.
2) 利用电铸进行模具的制备，即通过电镀先在聚氯乙烯原型上面制备一层铜.为了提高铜镀层与喷涂层的结合强度，需要在镀层的表面进行喷砂的预处理，然后在铜镀层上面喷涂锌铝合金，达到模具所要求的工作厚度.采用与方案1)相同的方法进行模具与原型的分离，将锌铝合金涂层的厚度喷到3 mm即完成电弧喷涂，其中电弧喷涂的工艺参数如表1所示.锌铝合金化学镀铜的工艺流程主要包括除油、清洗、去锈活化、清洗、化学镀、清洗及钝化.化学镀铜工艺规范如表2所示[11].
由于电镀需要在导电的原型表面进行，因此，需要在聚氯乙烯原型表面涂覆一层导电铜油，然后电镀到达所要求的模具工作厚度。为了分析镀层的性能，将制得的模具切割成小块，对其进行预磨、抛光，并采用EDAX公司研制的电子扫描显微镜观察喷涂层和铜镀层的截面形貌，用HVS-1000数显显微硬度计对其进行显微硬度的测定.
在整个工艺流程中，铜镀层形成模具的型腔表面，电弧喷涂层对铜镀层起加固背衬的作用.在方案2)中，对铜镀层和喷涂层进行结合强度的测试，分别在铜镀层上喷涂铝丝、锌铝伪合金丝及锌铝合金丝，来确定最优的喷涂材料.采用粘结剂对偶试样拉伸实验法(GB8642-88)，在国产 CSS-55100型电子万能试验机上进行铜镀层和喷涂层的拉伸实验，以确定两者的结合强度.
2·实验结果与分析
2.1电铸工艺参数对模具表面性能的影响
在电铸制模中，硬度和孔隙率是镀层的重要性能指标.由于模具在工作状态时，型腔要承受充模压力，因此，要求镀层要有足够的硬度，而孔隙率则反映了镀层的致密性，它对镀层的强度和复制精度起着重要的作用.影响镀层硬度和孔隙率的主要因素是阴极电流密度和电镀溶液温度，其次是硫酸铜浓度和硫酸浓度.阴极电流密度对镀层的结晶晶粒的粗细有较大的影响.一般来讲，当阴极电流密度过低，阴极极化作用小时，镀层的结晶晶粒较粗;随着阴极电流密度增大，阴极极化作用也随之增大，镀层结晶较细致、紧密;但是阴极电流密度不能过大，不能超过允许的上限值，否则，由于阴极附近严重缺少金属离子的缘故，会在阴极的尖端产生树枝状的金属镀层，或者整个阴极表面上产生形状如海绵的疏松镀层.在其他条件相同的情况下，在20～30℃内，随着温度的增高，会加快阴极反应速度和金属离子的扩散速度，降低阴极极化作用，使电镀层结晶变粗，并且在与大阴极电流密度的共同作用下，会形成相对疏松的电铸层，使表面硬度、强度下降.因此，电镀铜应保持较低的镀液温度.
硫酸铜是镀液中的主盐，随着硫酸铜浓度的增加，虽可提高阴极电流密度，但它会结晶析出在阳极板上或者溶液中，从而降低镀液的导电率，影响镀层质量，其浓度一般约控制在200 g/L.而硫酸的作用是防止铜盐水解，提高镀液的导电性.当硫酸浓度过高时，阴极极化作用受到较大的影响;而过低时，不能有效地控制铜盐的水解，会导致镀层结晶粗糙.在生产中硫酸的浓度一般控制在大约65 g/L，镀液中适量的氯离子能提高镀层的光亮度和整平性，并能降低镀层的应力.添加剂的作用主要是提高电镀液的导电性，细化电镀层结晶组织，改善镀层整平度.另外，为了进一步提高镀层的质量和电镀效率，对镀液采用空气搅拌，从而使阴极附近消耗了的金属离子得到及时的补充并降低阴极的浓差极化作用.因此，较合理的电镀铜工艺规范如表3所示.
2.2两种方案喷涂层和铜镀层孔隙的对比分析
图 1是方案1)的电弧喷涂层和镀层在500倍下的电镜照片.从图1a可以看出，电弧喷涂锌铝合金涂层存在较多的孔隙，且多数是封闭性孔隙，同时也存在少量的惯穿性孔隙.另外，在涂层中也存在一些夹杂物，从而导致电弧喷涂锌铝合金所制得的模具表面硬度低，封孔性差等.方案1)采用了在锌铝合金模具型腔的内表面化学镀铜的工艺方案，从图1b可以看出，锌铝合金喷涂层的表面粗糙、凹凸不平，并有许多微小的孔隙.化学镀铜时，涂层表面上的孔洞由于其内部的镀液不能充分得到交换、补充，因此，孔洞不可能被完全覆盖.另外，化学镀铜时所产生的氢原子和氢气分子在涂层表面是可以迁移的，随时可能聚集成氢气泡粘附在涂层表面.由于涂层表面粗糙，有微小孔隙的存在阻碍了氢气泡的排除，而氢气泡如果总是滞留在一个地方，就会在镀层中形成空洞或缝隙;如果氢气泡在涂层上附着不牢固，发生周期性的脱落，就会出现麻点.因此，用化学镀铜所得到的铜镀层中仍然有孔隙的存在.当用电镀进行镀层加厚时，由于在模具型腔内电镀，因此，制得的镀层薄厚不一，且电镀效率极低.由此可见，方案1)工艺繁琐，不能良好地解决模具表面性能上的缺陷.
图 2是方案2)的电弧喷涂层和渡层在500倍下的电镜照片，首先进行铜镀层的制备，然后在铜镀层上面喷涂锌铝合金到达要求的模具工作厚度.由图2a可见，虽然在铜镀层上面喷涂的锌铝合金涂层中也存在孔隙和夹杂，但喷涂层并不是模具的工作表面，它只对模具起加厚的作用，并不影响模具的性能.从图2b可以看出，电镀铜层无孔隙的存在.这是因为电铸具有极高的复制精度，当原型表面很光滑时，氢电位高，析氢困难.电镀铜时所产生的氢气泡在阴极析出后，很难粘附在光滑的原型表面，另外，在空气搅拌的作用下能及时地进入镀液当中，使铜镀层中无孔隙的存在.从图2c中可以计算出铜镀层的厚度约为0.4 mm，能够良好地保证模具的精度和强度。
2.3锌铝合金涂层和铜镀层的显微硬度
对喷涂层和铜镀层进行显微硬度测试，结果如表4所示.其中1号为锌铝合金涂层试件，2号为化学镀铜试件，3号为电镀铜试件.锌铝合金喷涂层由于有孔隙和夹杂物的存在，因此，其显微硬度值要低于铜镀层的显微硬度值.铜镀层强化了锌铝合金的表面，较好地解决了基体表面的孔隙、夹杂等缺陷，并且硬度的提高，使模具具有了更好的耐磨性.
2.4电弧喷涂层和铜镀层的结合强度
不同材料的喷涂层与铜镀层的结合强度如表5所示.其中1号试件为在铜镀层上面喷涂铝，2号试件为在镀层上面喷涂锌铝伪合金，3号试件为在镀层上面喷涂锌铝合金.由断口形貌可知，各组拉伸试样断裂位置均在喷涂层与铜镀层之间，其中铝涂层与铜镀层的结合强度最大.因为在喷涂铝时，熔融的Al原子与空气中的氧发生放热反应形成了Al2O3，反应放出的热量使熔融粒子部分实现与铜度层的冶金结合，提高了结合强度;但Al的熔点较高，喷涂时较大的熔滴在铜镀层表面沉积不易扁平化，容易形成飞溅，涂层间的结合不紧密，形成的涂层较疏松，因此，电弧喷涂制模具的丝材一般不选用Al丝.
锌铝合金涂层与铜镀层的结合强度高于锌铝伪合金与镀层的结合强度，但小于铝涂层与镀层的结合强度.因为在喷涂锌铝合金时，雾化程度高的细小Zn熔滴可以填充由Al飞溅物形成的较大空隙，所以，Zn-Al合金涂层的组织致密，孔隙较少.锌铝伪合金涂层为Zn-Al的机械混合物，在电弧喷涂时，将一根Zn丝和一根Al丝分别送入两个导电嘴内，结果，Zn、Al两相的分布很不均匀.而在Zn-Al合金涂层中，Zn、Al两相分布较均匀，两相以固溶体的形式存在，因此，Zn-Al合金涂层与镀层的结合强度高于Zn-Al伪合金涂层与镀层的结合强度.
2.5模具的制造周期与成本
电弧喷涂和电铸的沉积速度与相应的模具制造成本如表6所示，电铸铜层的厚度至少在3 mm以上才能保证模具的精度与强度，并具有实际的生产应用价值.因此，利用电铸制造模具的周期约在100 h.如果在保证不降低电铸模具使用性能的前提下，把电铸铜层的厚度减小到约0.4 mm，然后采用电弧喷涂锌铝合金将模具加厚到3 mm，那么，制模周期仅需约15 h.
3·结论
1)将电铸与电弧喷涂相结合进行模具的制造，可以有效地降低模具制造周期和成本，实现快速制模的目的.与电铸制模相比，制模成本和制模周期均可大幅度降低.与电弧喷涂锌铝合金制模相比，模具的性能得到明显提升.
2) 通过对制模方案的比较分析可知，方案1)采用化学镀铜打底、电镀铜加厚的工艺方法，化学镀铜能得到均匀的很薄的铜镀层，但受模具型腔的影响，电镀铜沉积速度慢，且不能得到厚度均匀的镀层，不能有效地防止锌铝合金喷涂模具性能上的缺陷;方案2)先采用电铸铜镀层形成型腔，而后喷涂锌铝合金至模具所要求的工作厚度，能有效地解决锌铝合金喷涂模具封孔性差、不耐磨损等缺陷.
参考文献:略
