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關鍵字： 電弧噴涂；模具制造；應用 摘　要： 介紹了電弧噴涂工藝的原理、工藝特點、噴涂設備及噴涂材料，并介紹了電弧噴涂工藝在模具制造中的應用。

1電弧噴涂的原理

電弧噴涂是利用兩根連續送進的金屬作為自耗電極，在其端部產生電弧作為熱源，利用壓縮空氣將熔化了的絲材霧化，并以高的速度噴向工件表面形成涂層的一種熱噴涂方法。噴涂時，兩根絲狀金屬噴涂材料通過送絲裝置均勻連續的分別送進電弧噴涂槍中的導電嘴內，導電嘴分別接電源的正負極并保證兩根絲材在未接觸前的可靠絕緣。當兩根金屬絲材端部由于送進而相互接觸時，發生短路而產生電弧，使絲材端部瞬間熔化，壓縮空氣將熔融金屬熔化成微熔滴，以很高的速度噴射到工件表面，形成電弧噴涂層。

2電弧噴涂工藝的特點

電弧噴涂作為一種新型的熱噴涂方法，有許多顯著的優點。

2.1涂層結合強度較高、硬度高、孔隙率低

電弧噴涂時，熔滴溫度可達6000℃以上， 微熔滴加熱溫度、噴射速度都比火焰噴涂時高，因此粒子的動能和熱能都比較高，從而獲得較高的結合強度和涂層強度。試驗證明，電弧噴涂的結合強度約是火焰噴涂層的2.5倍。電弧噴涂形成的涂層硬度要比噴涂材料高30％－80％。電弧噴涂涂層的孔隙率小于8％，低于火焰噴涂所得的涂層的孔隙率。

2.2生產率高、安全可靠，噴涂工件不變形

電弧噴涂的生產率正比于噴涂電流，它的高效率表現在單位時間內噴涂金屬的用量大。試驗證明：噴涂電流為300A時，噴Zn效率可達30kg/h，噴Al可達10 kg/h。電弧噴涂技術僅使用電源和壓縮空氣，不用氧氣、乙炔等易燃氣體，安全性高，噴涂工件不變形。

2.3能源利用率高，噴涂成本低

電弧噴涂的節能效果十分突出，能源利用率顯著高于其他噴涂方法，而能源費用降低50％以上。除它的能源利用率很高外，加之電能的價格又遠低于氧氣和乙炔，其費用通常僅為火焰噴涂的1/5～1／10，等離子噴涂成本的1/5～1／20，而其噴涂效率卻提高了近一倍。

2.4設備造價低、使用維修方便、便于現場施工

電弧噴涂設備成本只有等離子噴涂設備的1/4～1／6。而且電弧噴涂設備體積小、重量輕、移動方便、易損件少，維修方便，易于現場施工。

3電弧噴涂設備及材料

3.1 電弧噴涂設備

電弧噴涂設備由電弧噴涂槍、控制箱、電源、送絲裝置及壓縮空氣系統等組成。

(1) 電弧噴涂電源

國外近年來電弧噴涂電源均采用平的伏安特性。過去采用直流電焊機作為電弧噴涂電源，由于電焊機具有陡降的外特性，電弧工作電壓在40V以上，使噴涂過程中碳燒損大，降低涂層硬度。平的伏安特性電弧噴涂電源可以在較低的電壓下噴涂，使涂層中碳的燒損大為減少(約減少50％)，可以保持良好的弧長自調節作用，能有效的控制電弧電壓。平特性的電源在送絲速度變化時，噴涂電流迅速變化，維持穩定的電弧噴涂過程。根據噴涂絲材選擇一定的空載電壓，改變送絲速度可以自動凋節電弧噴涂電流，從而控制電弧噴涂的生產率。

(2) 電弧噴槍

電弧噴槍是電弧噴涂設備的關鍵裝置。其作用是將連續送進的絲材在噴槍前部一定的角度相交，由于絲材各自接于直流電源的兩極而產生電弧，從噴嘴噴射出的壓縮空氣流對著熔融金屬吹散形成穩定的霧化金屬粒子流。

3.2 電弧噴涂材料

電弧噴涂材料主要包括有色金屬絲材(鋁、鋅、銅、鎳等金屬及其合金)、黑色金屬絲材(碳鋼，不銹鋼)。目前，國內外試用2-3mm的粉芯絲材，在其中填充所需的合金粉末，以獲得合金噴涂層。

(1) 鋅及鋅合金

鋅為銀白色金屬，在大氣或水中具有良好的耐腐蝕性，對鋼鐵基材還具有電化學保護作用。而在酸、堿、鹽中不耐腐蝕，當水中含有二氧化硫時，它的耐腐蝕性能很差。在鋅中加入鋁可以提高噴涂后的耐腐蝕性能，因此目前大量使用Zn-A1合金噴涂材料。鋅噴涂層已廣泛應用于室外露天的鋼鐵構件，如水門閘、橋梁、鐵塔和容器等。

(2) 鋁及鋁合金

鋁用作防腐噴涂層時，作用與鋅相似。它與鋅相比，比重輕，價格低廉，在含有二氧化硫的氣氛中耐腐蝕效果比較好。在鋁及鋁合金中加入稀土元素不僅可以提高涂層的結合強度而且可以降低孔隙率。鋁還可以用作耐熱噴涂層。鋁在高溫作用下，能在鐵基體上擴散，與鐵發生作用生成抗高溫氧化的Fe3A1，從而提高了鋼材的耐熱性。鋁涂層己廣泛應用于貯水容器、硫磺氣體包圍中的鋼鐵構件、食品貯存器、燃燒室、船體和閘門等。

(3) 銅及銅合金

純銅主要用作電器開關和電子元件的導電噴涂層及人像、工藝品、水泥等建筑表面的裝飾噴涂層。黃銅噴涂層廣泛用于修復磨損及加工超差的零件，修補有鑄造砂眼、氣孔的黃銅件，也可作為裝飾噴涂層使用。鋁青銅涂層的結合強度高，抗海水腐蝕能力強，并具有很好的耐腐蝕疲勞和耐磨性。主要用于噴涂水泵葉片、氣閘閥門、活塞、軸瓦表面。

(4) 鎳及鎳鉻合金

鎳合金中用作噴涂材料的主要為鎳鉻合金，這類合金具有很好的抗高溫氧化性能，可在800℃高溫下使用，是日前應用很廣的熱阻材料。鎳鉻涂層可以耐水蒸氣、二氧化碳、一氧化碳、氨、醋酸及堿等介質的腐蝕，因此，鎳鉻合金被大量用作耐腐蝕及耐高溫噴涂層。例如，美國采用45CT(45％Cr、4％Ti，其余為Ni)絲材電弧噴涂鍋爐管道取得了良好效果。

(5) 碳鋼和低合金鋼

碳鋼和低合金鋼是廣泛應用的電弧噴涂材料。它具有強度較高、耐磨性好、價格低廉等特點。電弧噴涂過程中碳和合金元素易燒損，易于造成涂層多孔和氧化物夾渣，使涂層性能下降，因此采用碳元素較高的碳鋼，以彌補碳元素的燒損。

(6) 粉芯絲材

國內外已采用粉芯絲材作為電弧噴涂材料，我國已應用3Crl3、4Crl3、7Crl3等絲材作為耐磨噴涂材料，同時具有良好的抗高溫穩定性。

4電弧噴涂工藝在模具制造中的應用

4.1 金屬噴涂制模法是模具快速制造的新技術

電弧噴涂在模具制造中的應用主要體現在模具的快速制造，也可用于模具的修復。西安交通大學2003年通過鑒定的“金屬噴涂快速模具制造技術及設備”成果，通過技術攻關，形成了以快速原型技術和金屬電弧噴涂技術為核心的模具快速制造集成系統，并在企業成功地實現了成果轉化。該成果將快速原型、金屬噴涂以及電刷鍍等技術有機結合，形成快速模具制造集成技術，其工藝過程包括：噴涂母模準備、基體處理、金屬電弧噴涂、填充背襯材料、電刷鍍等環節。

金屬噴涂快速模具主要由金屬噴涂層、電刷鍍層以及背襯材料構成，呈現梯度結構特點，其中電刷鍍層提高了模具表面硬度（大于HV500）和耐磨性（提高3~10倍），玻璃鋼層和環氧樹脂層提高模具的整體機械性能，高強度水泥背襯降低了模具制造成本。該項技術適用于汽車制造和模具制造企業，能實現大型沖壓模具的快速制造，滿足一般汽車覆蓋件快速模具制造要求，制造成本只有傳統機械加工鋼模具的1/10，制造周期為后者的1/4~1/5，經濟效益十分可觀，非常適合于新車型開發中的樣車試制和小批量生產。

該技術也可以用于注塑模具快速制造。在注塑模快速原型制造中，金屬電弧噴涂制模法以樣模為標準，模具型腔尺寸、幾何精度完全取決于樣模，型腔表面及其精細花紋一次同時形成，故制模速度快，制造周期短，模具壽命長，成本低，僅為數控法加工鋼模具的1/3~1/5，模具表面光潔度好，工藝簡單，設備要求低，比較適合于注射成型模、壓鑄模、板料壓延模的快速制造。

4.2金屬電弧噴涂制模法具體工序

金屬電弧噴涂制模的工藝過程大致分為五個步驟：

（1）模型準備。模型可由塑料、石膏、橡膠、木材等材料制成，首先建立三維模型，然后對其進行分層切片，并由快速成型機制作出樣模。模型準備中最重要的是清理模型表面和涂抹脫模劑。

（2）金屬噴涂模型。脫模劑干燥后，選擇最佳的噴涂參數，即可開始在模具上噴涂金屬，噴涂時應保證使噴槍連續運動，防止涂層過熱變形，涂層厚度一般控制在2~3㎜。

（3）制作模具框架。如果模具在工作中要受到內壓力或模具必須安裝在成型機上工作，模具就必須有骨架結構且制成的骨架應帶有填料。

（4）澆注模具的填充材料。應使填充材料具有較高的熱導率和較低的凝固收縮率以及較高的抗壓強度和耐磨性能，一般選擇的填充材料為環氧樹脂與鋁粉、鋁顆粒等金屬粉末的混合物。

（5）脫模及模具型腔表面拋光處理。脫模后要把殘留在金屬涂層表面的脫模劑清洗干凈，然后再根據不同的需要，對模具進行拋光等后期制作。

（6）組裝試模。

4.3 金屬電弧噴涂制模法的局限性

用于電弧噴涂制模的材料，在滿足低熔點、低收縮率的情況下，應盡可能具有較好的力學性能和較致密的涂層組織。目前市場提供的電弧噴涂用絲材有鋁、鋅、銅、鎳、不銹鋼、鋁青銅、巴氏合金、復合絲等許多品種。但高熔點金屬，如鋼、鎳、銅等在噴涂時涂層收縮率、熱應力、孔隙率都比較大，涂層易開裂、翹曲、剝落，所以目前只有低熔點的鋅、鋁絲材適合用于模具制造。

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