1996年--外文翻譯--等離子噴涂模具制造（譯文）

1、<p><b>　　中文4300字</b></p><p>　　本科畢業(yè)設計外文翻譯</p><p>　　Mold Manufacture with Plasma Spraying</p><p>　　K.A. Gross and A. Kovalevskis</p><p>　　Journal of Ther

2、mal Spray Technology Volume 5(4) December 1996 475:JTTEE5 5:469-475 © ASM International</p><p><b>　　等離子噴涂模具制造</b></p><p>　　K.A. Gross and A. Kovalevskis</p><p>　　熱

3、噴涂技術第5卷（4）1996年12月-475:引用469～475頁</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前模具行業(yè)已經(jīng)發(fā)展到使用鋼或鍍鉻鋼作為材料來生產(chǎn)模具的階段。調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，模型的涂層是受到模型材料、模型溫度、噴涂角度、涂層質量和模型表面質量的影響。將拋光后的圓盤模型加熱，然后用鐵、鎳、鋁鎳合金和鎳鉻硼硅合金進行等離子噴涂。研究發(fā)現(xiàn)，

4、材料在200℃～450℃這個較低溫度之間變化時，可以促進清除低鋼型號模型的整個涂層。然而在較高的溫度下，對鋼氧化所產(chǎn)生的較高的粘結強度會導致顯著的涂料分離。鍍鉻的模型，需要加熱到600℃～700℃才能生產(chǎn)出無缺陷的涂層?；捉嵌葘﹂_口孔隙率的影響效果是最明顯的，在鎳鉻硼硅合金中最重要的是鎳和鋁元素。等離子噴涂后的模具的表面粗糙度能夠達到理想模型的要求，可以具有良好表面的細節(jié)再現(xiàn)性。這些模具也可用于玻璃、橡膠、塑料等行業(yè)。</p&g

5、t;<p>　　關鍵詞：附著力，涂層清除，模具，等離子噴涂，孔隙度，粗糙度，刀具</p><p><b>　　介紹</b></p><p>　　零部件的制造通常需要一個成形階段。這是通過模具、工裝或者沖模完成的。有多種方法可用來生產(chǎn)模具，包括沖壓、電鑄、電火花加工、化學侵蝕、精密鑄造機加工[1]。等離子噴涂是另一個可以制造具有復雜曲面和精確尺寸的模具生產(chǎn)

6、制造過程[2]。這個過程可降低加工成本，從而縮短生產(chǎn)時間，生產(chǎn)出多樣化的產(chǎn)品，并可以迅速提高制造樣品的速度。該方法能夠生產(chǎn)不規(guī)則形狀的部件，提供一個表面質量優(yōu)異的副本和保持表面精確的形態(tài)和尺寸。</p><p>　　金屬噴涂的理想結果是噴涂料時在模型表面粘合后的表面光潔度和分離表面涂料時表面沉積后的表面光潔度與理想的模型相同： 一個平滑，無孔的沉積物，沒有裂紋和表面光潔的粘附區(qū)域。早在20世紀70年代初，被發(fā)現(xiàn)的

7、薄殼鋅和鋅錫就可以應用于噴涂在木材、塑料、模具和其它的材料領域[3]。模具表面有較嚴格的應用標準時，可以制備低的壓力和溫度，例如在塑料行業(yè)。</p><p><b>　　熱噴涂方法</b></p><p>　　金屬噴涂的準備工作包括五個步驟。在步驟1中，模具通過立體光刻造型[4]或機加工制作，或用手工制作表面光滑的和達到期望尺寸的最終產(chǎn)品。當該工序完成時，再覆蓋高溫阻

8、擋圖層（步驟2）來保護模型，用脫模劑，如聚乙烯醇，以促進模型的分離。該模型覆蓋一層用金屬噴鍍（步驟3）約1～3毫米的金屬涂層。在這個階段，涂層是非常柔軟的，并且需要外力支撐。為了使薄殼有剛性，并確保在處理過程中尺寸不會發(fā)生改變，在構筑模具（步驟4）時涂一層備份材料（步驟5）。</p><p>　　一個優(yōu)質的表面光潔度才能在玻璃上實現(xiàn)噴涂低熔點材料，如錫或鋅合金（一種生產(chǎn)于鋅合金有限公司，創(chuàng)立于146年彭布羅克大道

9、、尼克-海德菲爾德03301號），聚甲基丙烯酸酯、聚碳酸酯、聚丙烯或聚酰亞胺[5]。然而，精確的表面復制取決于材料的熔煉和變形。利用銅、鋼、鋁是難以適用于模型因高融化溫度和收縮率的。根據(jù)[6]，為了克服這一困難可以用錫合金涂層在不銹鋼表面用等離子體法噴熔化錫創(chuàng)造良好的附著力，從而克服陶瓷涂層的分層問題。同樣，精確的表面復制是由于熔融的錫合金的限制。表面溫度的控制與空氣冷卻是很重要的，以避免過度的膨脹和熔融的錫合金。</p>

10、<p>　　使用鋼模型提供了另一個替代方案來生產(chǎn)模具。自熔性模型形狀的損失已不再是一個問題，允許在相同過程中使具有良好的模具性能的材料被噴到另外一個制造過程或基礎材料上。該模型可以被加熱到高溫下，它提供了許多方面的優(yōu)勢。熔滴熱基板上沉積的產(chǎn)生以及形成的片層與較低的涂層孔隙率[7]和較高的沉積效率[8]。光滑的表面要求減少大量的“桁條”或二次飛濺，為了賦予模具內(nèi)高的表面平滑度是必要的。沉積結束后的第一個材料層用另一種有相似熱膨

11、脹系數(shù)的材料可以提供技術支持噴灑拆卸后的模具。此外，一旦模具或物體已經(jīng)產(chǎn)生，沒有進一步的行動是必要的。本文將證明表面復制取決于涂層材料、基體材料、基質溫度和沉積參數(shù)。</p><p><b>　　實驗步驟</b></p><p><b>　　材料</b></p><p>　　45號鋼被選為該模型材料。在冷卻過程中，選取膨脹

12、系數(shù)與基質相似的涂層材料來避免涂料分層。鐵、鎳、鎳鋁合金和鎳鉻硼硅合金（用組合物的8?14重量百分比的鉻，2～3重量百分比的硼，1?3重量百分比的硅和余量的鎳）分別作為噴涂材料。后三種材料被選擇適用于在高溫700℃條件下操作。鎳具有良好的耐腐蝕性并且已被應用在壓縮和注射成型塑料[9]。鎳鉻高溫合金具有良好的耐磨性、耐腐蝕性和抗氧化性[10]，用來防止機械零件的腐蝕和磨損[11]。生產(chǎn)致密涂料時，合金中的硼和硅可以提供更好的流動特性的熔融

13、顆粒。</p><p>　　在烏克蘭和俄羅斯的冶金工廠得到的鐵和鎳粉是呈不規(guī)則形狀的。鋁鎳合金和鎳鉻硼硅合金的等離子粉末噴涂呈現(xiàn)的球形形狀是分別來自于俄羅斯和烏克蘭。鋁鎳粉末組成合金中，鎳封裝在鋁中。噴灑鐵和銅的機械混合物作為背面材料的模具支承。對粉體進行了分類，鎳顆粒尺寸范圍為30～80，但40～100的尺寸范圍是其他材料的顆粒。</p><p>　　由于鋼的可用性和良好的切削性能，被選

14、為模型材料。模型用制造圓盤的形式（見3.3節(jié)）和拋光到0.05的表面光潔度。模型通過電鍍可以鍍10厚的鍍鉻層。</p><p><b>　　噴涂條件</b></p><p>　　一個定制的等離子體炬內(nèi)部用6毫米直徑的陽極用于等離子噴涂。28～31千瓦的功率電平設置為350安，80～90伏。技術級氬式（Ar-15）被用作主要的等離子氣體，和氫（10％～15％）被加入以增

15、加等離子體焓。交付的粉末在2～5公斤/小時到焊炬中，并噴涂在一個距離10厘米的支座上。</p><p><b>　　評價方法</b></p><p>　　第一階段的調(diào)查涉及從除去模型表面的整個涂層過程中從而獲得具有良好涂層附著的要素。眾所周知，鍍層粘附性取決于被涂覆表面的粗糙度。粗糙表面噴涂后可以產(chǎn)生非常大的附著力[12]。拋光表面的附著力是最小的，在噴涂過程中，涂層

16、可以進行碎片和翹曲。加熱基底表面，提高了涂層的附著力。圓盤（30×80毫米直徑）拋光至表面粗糙度為0.05，在馬弗爐中加熱大約一個小時，并使用帶有熱絕緣層的夾具（見圖1）。一個2～3毫米厚的涂層立即被噴射到模型表面可以確定在較低溫度下均勻分布涂層的附著力。在更高的溫度下以50℃的增量重復此過程，直至在噴涂過程中沒有再形成涂層，涂料在表面產(chǎn)生鋼和鍍鉻。以這種方式溫度均勻的粘涂層的形成可能是必要的。金屬板前表面的溫度用一個1毫米的

17、熱電偶進行定位測量。</p><p>　　第二階段的調(diào)查確定了工藝參數(shù)，以保證一個有良好涂裝性的涂膜從模型中分離。一個圓盤在尺寸上小于先前使用的（5×30毫米直徑）的，被裝上了圓柱基礎和用一個螺絲固定穿過一個圓柱套筒（見圖2）。圓盤上的溫度用熱電偶測量。套筒頂部表面噴砂處理以確保了粘合處較低的基底溫度。沉積2～3毫米后勾涂料、圓柱基礎通過螺絲套筒被挖掘釋放。涂層分離的圓盤外露的最后涂料被清除出了圓盤進行

18、下墊面的進一步檢查。潛在的涂層表面可以評估基片溫度功能。表面檢查涂層孔隙率和已撤離進行立體顯微鏡用光學和表面形貌劑。</p><p>　　模具的表面質量可以改變制件的色彩質量。第三個實驗確定了噴涂角度依賴性和表面涂層的孔隙率的材料。一共有12個區(qū)域，每個區(qū)域每三片為一組被放置在一起進行測試。每個區(qū)域用不同的角度進行加工（見圖3）。該模型提出了斜板從10～90度的角度進行裝配，至即將電漿熔融顆粒。維系在一起的所有階

19、段都是由一個單一的緊固件固定。溫度是用一個熱電偶插入到底端進行測量。涂層孔隙率測定使用放大能力為100×倍的光學顯微鏡測量。</p><p><b>　　結果和討論</b></p><p><b>　　復制曲面的幾何圖形</b></p><p>　　涂層整合和易于除去相對于表面上的復制圖案是很重要的。噴涂到冷的表

20、面涂層的結果會導致涂層的剝離，并從圓盤的右側開始向中心靠近。在這個過程中，涂層由于熱誘導應力使圖案產(chǎn)生裂縫而分離。</p><p>　　均勻粘合的圓盤基片只能在高溫度下觀察。鋼模型加熱到150℃～200℃就能產(chǎn)生更好的附著力粘附到圓盤上。均勻粘附的最低溫度取決于模型和涂層材料。將鎳鋁合金噴涂到鋼上的最低溫度要求為200℃（見圖4）。這可能是由于在凝固過程中，其中的放熱會協(xié)助紓解該過程中產(chǎn)生的應力。鐵，鎳，鎳鉻硼硅

21、合金涂層要求預熱到300℃～450℃才可以形成粘附的涂層。鎳鉻硼硅合金具有較高的敏感性，由于殘余應力會引起開裂和剝落，因此需要較高的溫度[13]。涂層在給定的溫度下會顯示一個灰色的外觀，這意味著是一個多孔表面。重要的是觀察到抽出鎳和鋁鎳合金涂料。</p><p>　　鍍鉻的表面需要較高的基底溫度（略高于50℃）以便涂層的清除（見圖4）。涂料還含有較少的孔隙率，并且從淺灰色的觀察外觀上可以輕易地從基材上分離異常的鎳

22、鋁。</p><p><b>　　基材的角度和孔隙率</b></p><p>　　模具的生產(chǎn)需要具有不同取向特征的熔融顆粒，來建立功能性涂料。圖5顯示出了基片角上的涂層開口孔隙率對各種材料的影響。噴射角度對鎳鉻硼硅合金原料來說是最關鍵的。觀察孔隙度水平基板傾斜增加40度。與其他研究結果比較是相對困難的，因為體積孔隙率是常規(guī)測量得到的。史密斯等人[20]等離子噴涂銅、鋁

23、、鉬、鎳鋁合金和鋁在砂礫中受損的基板和顯示增加鍍層粗糙度降低沉積效率，開始以相似的角度增加孔隙度。這些結果表明，孔隙度是出現(xiàn)在大角度的遮蔽效應和飛濺情況下。</p><p>　　對鍍鉻鋼模式來說，最佳噴射角是40度至90度；對鐵來說，在600℃環(huán)境下，是45度至90度；鎳在700℃時的最佳噴射角度是50度至90度；鎳鉻硼硅和鎳鋁涂層在700℃環(huán)境下的最佳噴射角是35度至90度。噴霧角小于指定值時會增加孔隙率，從而

24、導致產(chǎn)生較差的表面光潔度，因此會降低模具的性能。</p><p><b>　　表面質量</b></p><p>　　鎳鍍層的鍍鉻鋼模型的分離情況被選擇用來表面粗糙度的評估。粗糙度在涂層和模型表面測定，測得到達峰谷值RZ為測定值。兩個表面的評估表明，粗糙度的變化在涂層上更容易地檢測出。在550℃時，涂層和模型的表面粗糙度分別為2.7和1.0。這些數(shù)據(jù)表明，小部分松散的接

25、合薄片，會從涂層轉移到模型表面。溫度每上升50℃會產(chǎn)生一個光滑的表面。在較高的模型溫度下（見圖6）表面粗糙度的值會減小。得到較好的模型的表面粗糙度需要加熱到700℃以上。</p><p><b>　　模具制造</b></p><p>　　模具制造的工具需要有剛性材料的支持。在機械強度允許的條件下，該涂層可以同時加入1～2厘米厚的支撐層。通常情況下，鐵和銅的混合物是等離

26、子噴涂到表面的第一層介質。選擇這種材料的組合是為了便于切削。根據(jù)圖案的大小和復雜性，制造一個模具，整個涂層的操作可能至少需要40分鐘的時間。例如，要產(chǎn)生一個簡單的內(nèi)部直徑為15毫米，厚度為5毫米，長度為200毫米圓筒的壁需要的總噴射時間為1小時。然后將模具從模型中分離，然后用加工到最終所需的尺寸。</p><p><b>　　結論</b></p><p>　　本研究已

27、經(jīng)設定了涂層參數(shù)，例如模型材料、表面溫度和噴涂角度，使在噴涂過程中不會發(fā)生變形和比原來模型還要低的表面粗糙度。</p><p>　　可以在空氣中將鐵、鎳、鎳鋁合金和鎳鋁乙硅合金用等離子噴涂到鋼或鍍鉻鋼模型的表面上。主要的加工標準是模型溫度。模型表面必須加熱超過400℃才能避免涂層翹曲和分裂，但加熱到600℃～700℃需要去除涂層孔隙率和減少涂層拉拔。小噴霧角度還可以引入表面孔隙度。鎳鋁和鐵涂層的噴霧角范圍是最靈活

28、，允許更復雜的模具進行噴涂。鋼材的氧化促進噴涂材料的粘連，因此不推薦。鋼模型需要鉻鍍層防止涂層拉拔。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　W.E Robb, Tool-Making Processes, Equipment and Methods, Plastics Mold Engineering, J.H. DuBois and W.

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