铝合金压铸模具钢的表面涂层改性研究

郭春洁，王凤良

（烟台南山学院，山东烟台265713）

铝合金压铸模具钢的表面涂层改性研究

郭春洁，王凤良

（烟台南山学院，山东烟台265713）

采用超音速火焰喷涂复合金属粉末对铝合金压铸模具H13钢进行表面涂层改性，并进行涂层表面性能、模具钢试样的耐磨损性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能测试与分析。结果表明，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层改性显著改善了模具钢的耐磨损性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能。与未进行表面涂层改性相比，表面涂层改性使其20℃、250℃和500℃磨损体积分别减小了85.9%、90.2%和89.6%；500℃高温氧化100 h后的单位面积质量增重减少86.6%；热疲劳裂纹级别从7级变为2级。

铝合金；压铸模具钢；表面涂层；超音速火焰喷涂；复合金属粉末

0 前言

铝合金在现代轨道交通、建筑、航空、航天、汽车、轮船、化工等领域得到了越来越广泛的应用。铝合金的广泛应用离不开铝合金压铸模具。优质的压铸模具是铝合金得到大规模市场化应用的一个重要条件。一方面，铝合金压铸模具的质量对铝合金成型产品质量产生重要影响；另一方面，铝合金压铸模具的使用寿命对铝合金加工企业成本影响较大。因此，如何提高铝合金压铸模具的质量和使用寿命，成为铝合金行业的一个重要技术课题。目前，铝合金压铸模具通常采用H13钢制作，但随着铝合金压铸模具性能要求的提高，现有H13钢铝合金压铸模具的耐高温磨损性能、热疲劳性能和抗高温氧化性能难以满足市场的需要，迫切需要进一步的研究和探索。为此，本研究尝试采用超音速火焰喷涂方法在铝合金压铸模具用H13钢表面喷涂复合金属粉末，并测试和分析了表面涂层对模具钢的耐磨损性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能的改善效果，为铝合金压铸模具的表面涂层改性提供了一种新的思路。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

本试验的基材为铝合金压铸模具用H13钢，采用RFS10-DF-3000型超音速火焰喷涂设备对该压铸模具钢进行复合金属粉末的表面涂层制备。复合金属粉末的粒径为35～50 μm，复合金属粉末的组成如表1所示。铝合金压铸模具钢的表面涂层制备流程如图1所示。在喷涂前采用QM-1SP4型行星式球磨机将复合金属粉末混匀，球磨转速450r/min、球磨时间40 min，球料比8∶1。超音速火焰喷涂的工艺参数如表2所示。

表1 复合金属粉末组成Tab.1 Composition of the composite metal powder %

图1 表面涂层制备流程Fig.1 Preparation process of the surface coating

表2 超音速火焰喷涂的工艺参数Tab.2 Process parameters of high velocity oxygen fuel spraying

1.2 试验方法

铝合金压铸模具钢的表面涂层形貌，采用GX15型金相显微镜（OM）和EVO18型扫描电镜（SEM）进行观察。采用THT型高温摩擦磨损测试仪测试铝合金压铸模具钢的耐磨损性能，磨损载荷100 N、磨轮转速250 r/min、摩擦磨损时间20 min、相对滑动速度90 mm/min、测试温度分别为20℃、250℃和500℃，并采用GX15型金相显微镜观察磨损表面。模具钢的抗高温氧化性能采用HG19型恒温箱式电阻炉进行500℃×100 h高温氧化试验，每10 h取出试样进行称重，并记录试样的单位面积质量增重。采用HG19型恒温箱式电阻炉进行模具钢试样的1 000次20℃～500℃间的冷热循环，每一次加热和冷却记为1次冷热循环，试验完成后用GX15型金相显微镜观察试样表面的热裂纹，并根据国标《热作模具钢热疲劳试验方法》（GB/T 15824-2008）进行裂纹评级。

2 试验结果及讨论

2.1 涂层形貌

铝合金压铸模具钢的表面涂层形貌OM照片和SEM照片，分别如图2和图3所示。由图2和图3可以看出，采用超音速火焰喷涂法制备的铝合金压铸模具钢表面涂层较为致密，分布较为均匀，无明显的堆积或空洞等缺陷。

图2 表面涂层的表面形貌光学照片Fig.2 OM photograph of surface topography for the surface coating

图3 表面涂层的表面形貌SEM照片Fig.3 SEM photograph of surface topography for the surface coating

2.2 耐磨损性能

未进行表面涂层改性与超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢试样，分别在20℃、250℃和500℃的磨损试验结果如图4所示。由图4可以看出，在所有测试环境下，与未进行表面涂层改性相比，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢的磨损体积均明显减小，其耐磨损性能显著提高。其中，20℃磨损体积从78×10-3mm3减小至11×10-3mm3，减小了85.9%；250℃磨损体积从194×10-3mm3减至19×10-3mm3，减小了90.2%；500℃磨损体积从327×10-3mm3减至34×10-3mm3，减小了89.6%。由此可见，表面涂层改性铝合金压铸模具钢试样的耐磨损性能得到了显著改善。未进行表面涂层改性与超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢试样500℃高温磨损后的表面形貌照片如图5所示。从图5可以看出，未进行表面涂层改性的铝合金压铸模具钢磨损现象较为严重，出现了较多的脱落和较深的磨痕；而表面涂层改性铝合金压铸模具钢试样的磨损现象很轻微，无明显脱落，仅有较浅的磨痕。这与试样的磨损体积测试结果一致。

图4 磨损试验结果Fig.4 Results of wear test for the samples

图5 磨损试验后的表面形貌Fig.5 Surface topography of the samples after wear test

2.3 抗高温氧化性能

未进行表面涂层改性与超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢试样的500℃×100h高温氧化试验结果，如图6所示。由图6可知，与未进行表面涂层改性相比，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢在高温氧化过程中的单位面积质量增重减小，其抗高温氧化性能得到明显改善；其500℃高温氧化100 h后的单位面积质量增重从276 μg/mm2减少至37 μg/mm2，减少了86.6%。由此可见，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层显著改善了铝合金压铸模具钢的抗高温氧化性能。

2.4 热疲劳性能

图6 高温氧化试验结果Fig.6 Results of the samples at elevated temperature oxygenation

未进行表面涂层改性与超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢试样，分别经过1 000次20℃～500℃循环后的热裂纹级别，如表3所示。从表3可以看出，与未进行表面涂层改性相比，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢的主裂纹级别从3级变为1级，网状裂纹级别从4级变为1级，热疲劳裂纹级别从7级变为2级。由国标《热作模具钢热疲劳试验方法》（GB/T 15824-2008）可知，热疲劳裂纹级别数值越大，材料热疲劳性能越差；热疲劳级别数值越小，材料的热疲劳性能越好。因此可以认为，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层提高了铝合金压铸模具钢的热疲劳性能，延长了铝合金压铸模具的使用寿命。

表3 试样的热疲劳裂纹级别Tab.3 Thermal fatigue grade of the samples

3 结论

（1）在铝合金压铸模具H13钢表面进行超音速火焰喷涂复合金属粉末的表面涂层改性，可以显著提高铝合金压铸模具钢的耐磨损性能、抗高温氧化性能和热疲劳性能。

（2）与未进行表面涂层改性相比，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢的20℃磨损体积从78×10-3mm3减小至11×10-3mm3，减小了85.9%；250℃磨损体积从194×10-3mm3减小至19×10-3mm3，减小了90.2%；500℃磨损体积从327×10-3mm3减小至34×10-3mm3，减小了89.6%。

（3）与未进行表面涂层改性相比，超音速火焰喷涂复合金属粉末表面涂层的铝合金压铸模具钢在500℃高温氧化100 h后的单位面积质量增重从276 μg/mm2减少至37 μg/mm2，减少了86.6%；主裂纹级别从3级变为1级，网状裂纹级别从4级变为1级，热疲劳裂纹级别从7级变为2级。

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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

郭春洁（1975—），女，山东龙口人，硕士，讲师，主要从事模具设计工作。