鋁合金壓鑄模具鋼的表面涂層改性研究

郭春潔，王鳳良

（煙臺南山學(xué)院，山東煙臺265713）

鋁合金壓鑄模具鋼的表面涂層改性研究

郭春潔，王鳳良

（煙臺南山學(xué)院，山東煙臺265713）

采用超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末對鋁合金壓鑄模具H13鋼進行表面涂層改性，并進行涂層表面性能、模具鋼試樣的耐磨損性能、抗高溫氧化性能和熱疲勞性能測試與分析。結(jié)果表明，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層改性顯著改善了模具鋼的耐磨損性能、抗高溫氧化性能和熱疲勞性能。與未進行表面涂層改性相比，表面涂層改性使其20℃、250℃和500℃磨損體積分別減小了85.9%、90.2%和89.6%；500℃高溫氧化100 h后的單位面積質(zhì)量增重減少86.6%；熱疲勞裂紋級別從7級變?yōu)?級。

鋁合金；壓鑄模具鋼；表面涂層；超音速火焰噴涂；復(fù)合金屬粉末

0 前言

鋁合金在現(xiàn)代軌道交通、建筑、航空、航天、汽車、輪船、化工等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用。鋁合金的廣泛應(yīng)用離不開鋁合金壓鑄模具。優(yōu)質(zhì)的壓鑄模具是鋁合金得到大規(guī)模市場化應(yīng)用的一個重要條件。一方面，鋁合金壓鑄模具的質(zhì)量對鋁合金成型產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生重要影響；另一方面，鋁合金壓鑄模具的使用壽命對鋁合金加工企業(yè)成本影響較大。因此，如何提高鋁合金壓鑄模具的質(zhì)量和使用壽命，成為鋁合金行業(yè)的一個重要技術(shù)課題。目前，鋁合金壓鑄模具通常采用H13鋼制作，但隨著鋁合金壓鑄模具性能要求的提高，現(xiàn)有H13鋼鋁合金壓鑄模具的耐高溫磨損性能、熱疲勞性能和抗高溫氧化性能難以滿足市場的需要，迫切需要進一步的研究和探索。為此，本研究嘗試采用超音速火焰噴涂方法在鋁合金壓鑄模具用H13鋼表面噴涂復(fù)合金屬粉末，并測試和分析了表面涂層對模具鋼的耐磨損性能、抗高溫氧化性能和熱疲勞性能的改善效果，為鋁合金壓鑄模具的表面涂層改性提供了一種新的思路。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗的基材為鋁合金壓鑄模具用H13鋼，采用RFS10-DF-3000型超音速火焰噴涂設(shè)備對該壓鑄模具鋼進行復(fù)合金屬粉末的表面涂層制備。復(fù)合金屬粉末的粒徑為35～50 μm，復(fù)合金屬粉末的組成如表1所示。鋁合金壓鑄模具鋼的表面涂層制備流程如圖1所示。在噴涂前采用QM-1SP4型行星式球磨機將復(fù)合金屬粉末混勻，球磨轉(zhuǎn)速450r/min、球磨時間40 min，球料比8∶1。超音速火焰噴涂的工藝參數(shù)如表2所示。

表1 復(fù)合金屬粉末組成Tab.1 Composition of the composite metal powder %

圖1 表面涂層制備流程Fig.1 Preparation process of the surface coating

表2 超音速火焰噴涂的工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of high velocity oxygen fuel spraying

1.2 試驗方法

鋁合金壓鑄模具鋼的表面涂層形貌，采用GX15型金相顯微鏡（OM）和EVO18型掃描電鏡（SEM）進行觀察。采用THT型高溫摩擦磨損測試儀測試鋁合金壓鑄模具鋼的耐磨損性能，磨損載荷100 N、磨輪轉(zhuǎn)速250 r/min、摩擦磨損時間20 min、相對滑動速度90 mm/min、測試溫度分別為20℃、250℃和500℃，并采用GX15型金相顯微鏡觀察磨損表面。模具鋼的抗高溫氧化性能采用HG19型恒溫箱式電阻爐進行500℃×100 h高溫氧化試驗，每10 h取出試樣進行稱重，并記錄試樣的單位面積質(zhì)量增重。采用HG19型恒溫箱式電阻爐進行模具鋼試樣的1 000次20℃～500℃間的冷熱循環(huán)，每一次加熱和冷卻記為1次冷熱循環(huán)，試驗完成后用GX15型金相顯微鏡觀察試樣表面的熱裂紋，并根據(jù)國標《熱作模具鋼熱疲勞試驗方法》（GB/T 15824-2008）進行裂紋評級。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 涂層形貌

鋁合金壓鑄模具鋼的表面涂層形貌OM照片和SEM照片，分別如圖2和圖3所示。由圖2和圖3可以看出，采用超音速火焰噴涂法制備的鋁合金壓鑄模具鋼表面涂層較為致密，分布較為均勻，無明顯的堆積或空洞等缺陷。

圖2 表面涂層的表面形貌光學(xué)照片F(xiàn)ig.2 OM photograph of surface topography for the surface coating

圖3 表面涂層的表面形貌SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM photograph of surface topography for the surface coating

2.2 耐磨損性能

未進行表面涂層改性與超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼試樣，分別在20℃、250℃和500℃的磨損試驗結(jié)果如圖4所示。由圖4可以看出，在所有測試環(huán)境下，與未進行表面涂層改性相比，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼的磨損體積均明顯減小，其耐磨損性能顯著提高。其中，20℃磨損體積從78×10-3mm3減小至11×10-3mm3，減小了85.9%；250℃磨損體積從194×10-3mm3減至19×10-3mm3，減小了90.2%；500℃磨損體積從327×10-3mm3減至34×10-3mm3，減小了89.6%。由此可見，表面涂層改性鋁合金壓鑄模具鋼試樣的耐磨損性能得到了顯著改善。未進行表面涂層改性與超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼試樣500℃高溫磨損后的表面形貌照片如圖5所示。從圖5可以看出，未進行表面涂層改性的鋁合金壓鑄模具鋼磨損現(xiàn)象較為嚴重，出現(xiàn)了較多的脫落和較深的磨痕；而表面涂層改性鋁合金壓鑄模具鋼試樣的磨損現(xiàn)象很輕微，無明顯脫落，僅有較淺的磨痕。這與試樣的磨損體積測試結(jié)果一致。

圖4 磨損試驗結(jié)果Fig.4 Results of wear test for the samples

圖5 磨損試驗后的表面形貌Fig.5 Surface topography of the samples after wear test

2.3 抗高溫氧化性能

未進行表面涂層改性與超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼試樣的500℃×100h高溫氧化試驗結(jié)果，如圖6所示。由圖6可知，與未進行表面涂層改性相比，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼在高溫氧化過程中的單位面積質(zhì)量增重減小，其抗高溫氧化性能得到明顯改善；其500℃高溫氧化100 h后的單位面積質(zhì)量增重從276 μg/mm2減少至37 μg/mm2，減少了86.6%。由此可見，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層顯著改善了鋁合金壓鑄模具鋼的抗高溫氧化性能。

2.4 熱疲勞性能

圖6 高溫氧化試驗結(jié)果Fig.6 Results of the samples at elevated temperature oxygenation

未進行表面涂層改性與超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼試樣，分別經(jīng)過1 000次20℃～500℃循環(huán)后的熱裂紋級別，如表3所示。從表3可以看出，與未進行表面涂層改性相比，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼的主裂紋級別從3級變?yōu)?級，網(wǎng)狀裂紋級別從4級變?yōu)?級，熱疲勞裂紋級別從7級變?yōu)?級。由國標《熱作模具鋼熱疲勞試驗方法》（GB/T 15824-2008）可知，熱疲勞裂紋級別數(shù)值越大，材料熱疲勞性能越差；熱疲勞級別數(shù)值越小，材料的熱疲勞性能越好。因此可以認為，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層提高了鋁合金壓鑄模具鋼的熱疲勞性能，延長了鋁合金壓鑄模具的使用壽命。

表3 試樣的熱疲勞裂紋級別Tab.3 Thermal fatigue grade of the samples

3 結(jié)論

（1）在鋁合金壓鑄模具H13鋼表面進行超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末的表面涂層改性，可以顯著提高鋁合金壓鑄模具鋼的耐磨損性能、抗高溫氧化性能和熱疲勞性能。

（2）與未進行表面涂層改性相比，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼的20℃磨損體積從78×10-3mm3減小至11×10-3mm3，減小了85.9%；250℃磨損體積從194×10-3mm3減小至19×10-3mm3，減小了90.2%；500℃磨損體積從327×10-3mm3減小至34×10-3mm3，減小了89.6%。

（3）與未進行表面涂層改性相比，超音速火焰噴涂復(fù)合金屬粉末表面涂層的鋁合金壓鑄模具鋼在500℃高溫氧化100 h后的單位面積質(zhì)量增重從276 μg/mm2減少至37 μg/mm2，減少了86.6%；主裂紋級別從3級變?yōu)?級，網(wǎng)狀裂紋級別從4級變?yōu)?級，熱疲勞裂紋級別從7級變?yōu)?級。

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Research on the modification of surface coating for aluminum alloy casting die steel

GUO Chunjie，WANG Fengliang
（Yantai Nanshan University，Yantai 265713，China）

The properties of aluminum alloy casting die steel was modified with the surface coating by high velocity oxygen fuel spraying using composite metal powder，and the surface topography of the surface coating，the wear resistance，high temperature oxidation resistance，and thermal fatigue resistance of the die steel were tested and analyzed.The results showed that modification of surface coating by high velocity oxygen fuel spraying with composite metal powder could effectively improve the wear resistance，high temperature oxidation resistance，and thermal fatigue resistance of the die steel.Compared with the samples without surface coating，that modification of surface coating could make wear volume at the temperature of 20℃，250℃and 500℃reduce by 85.9%，90.2% and 89.6%，respectively.It also could make the mass increment per unit area oxidized for 100 h at 500℃ decrease by 86.6%，and change the thermal fatigue grade from 7 to 2.

aluminum；casting die steel；surface coating；high velocity oxygen fuel spraying；composite metal powder

TG446

：A

1001-2303（2015）09-0123-04

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.09.27

2014-12-17

郭春潔（1975—），女，山東龍口人，碩士，講師，主要從事模具設(shè)計工作。