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1、摘 要模具是工业中非常重要的加工装备，担负着加工几乎所有工用农用的机械零部件的重要使命，比如飞机，汽车，仪表电器，塑料，玻璃等都离不开模具。模具应用的范围相当广泛，作用也十分巨大，它直接影响到企业在市场中的竞争力。传统的模具制作工艺落后，精度很低，制造周期长，直接影响了模具的制造精度和生产效率。在进入21世纪后，比如汽车行业，产品更新换代比较快，所以模具就要适应这一趋势，提出了高精度、高效率、高寿命三高模具来顺应小批量、多品种这种发展趋势。自从80年代末出现了快速原型技术以后，快速制模技术得到了长足的发展，解决了传统模具样模制造精度低周期长的瓶颈问题，能够较快制造出各种复杂形状的模具，从而顺应
2、了模具制造业的趋势，增加了企业在市场中的竞争力。快速制模方法主要分为直接制模和间接制模，其中以间接制模工艺比较成熟，应用比较广泛。电弧喷涂快速制模是间接制模方法中的一种，在中国采用这种工艺主要用于一些低熔点的塑料模具的制造，而在国外企业已有采用电弧喷涂制模方法制造钢基模具的报道。钢基模具具有高硬度高耐磨性高抗压性等很多的优点，但是受我国设备和技术的限制，采用电弧喷涂方法来制造钢基模具并不广泛，因为我们无法很好地解决模具喷涂层的残余应力问题，钢模的复制精度得不到保证。如果我们能够从现有的喷涂材料入手，选择出一些喷涂层残余应力小、硬度高和耐磨性好的一些钢丝来完成喷涂，这样既能节约成本又能达到使用要
3、求，很好地解决了电弧喷涂制造钢模的顾虑。本次试验就是从现有的电弧喷涂钢丝中选择出成本相对较低、并有可能达到要求的3Cr13、65Mn、70#和82B钢丝，将它们按照所测试的性能要求喷涂出来，对它们进行了组织分析、硬度、耐磨性、抗拉强度和冲击韧性方面性能的测试，并将它们同模具Cr12钢进行了比较，从中选择出性能较好的丝材完成电弧喷涂制造钢基模具。关键词：电弧喷涂，钢基模具，快速制造，硬度，耐磨性The Property Study of Steel Mould Shaped Material by Arc SprayingAbstractThe mould is the very importa
4、nt manufacturing machineryof the industry which shoulderimportant mission for almost all the accessories of farm and industry，including aircraft，automobile，electric instrument and apparatus，plastic and glass. The field of application is very abroad and its action is very large. It directly affects t
5、he enterprises competitive power in the market. The traditional mould manufacturingtechnology is very under-developed whose precision is low and manufacturing cycle is very long，so it directly affect the mould precision and production efficiency. When entering 21 century，for example the automobile i
6、ndustry，productions are upgraded frequently，so for the sake of adapting to the trend of development，bringing forward such mould have high precision and high efficiency as well as high longevity.Since the advent of RP by the late 1980s，the rapid tooling technology has made remarkable progress，solving
7、 the bottleneck problem that the conventional mould whose precision is low and manufacturing cycle is very long，and can manufacturing mould who has all kinds of complex shape，adapting to the trend of development and adding the enterprises competitive power in the market. The rapid tooling technology
8、 includes direct rapid tooling and indirect rapid tooling. Indirect rapid tooling application is very mature and abroad. Arc spraying technology on tooling is one of indirect rapid tooling，in china we use it to manufacture some plastic mould whose melting point is low. But its report that some overs
9、eas enterprises have used this method to manufacture steel mould. Steel mould has high hardness and high wear resistance. But in china，for the reason that the equipment and the technology，applying arc spraying to manufacture the steel mould is not abroad，for the residual stress problem is not well s
10、ettled，so the mould precision cannot be ensured. If we can choose some spraying steel materialwhich has low the residual stress and high hardness as well as high wear resistance to spray the steel mould. Such method can save the cost and can satisfy the operating requirement，well settled the worry o
11、f applying arc spraying to spray the steel mould.In the experiment，the such as 3Cr13，65Mn, 70# and 82B steel wire which has low lost and probably satisfy the requirement to spray according to the property testing requirement，and carried out metallographic phase，hardness，abrasion performance，tensile
12、strength and impact ductility studies as well as compared with Cr12 to choose the best steel wire to manufacture the steel mould by arc spraying.Key Words：Arc Spraying；Steel Mould；Rapid Manufacturing；Hardness；Wear Resistance第一章 绪论1.1 基于快速原型的快速制模技术研究进展1.1.1 快速原型技术的原理及分类（1）快速原型技术的原理快速原型技术是将计算机辅助设计(CAD
13、)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合，可以采用固、液、气、粉未几种形态的材料来制造产品1。原型产品的制造过程是：首先在计算机上构成产品的三维模型，然后对其进行分层切片,接下来计算机根据模型各层轮廓的信息,控制材料在工作台上一层一层地堆积,逐层叠加就最终形成了三维产品。快速原型技术的具体过程如下(如图1.1所示)：1) 产品三维模型的构造首先在计算机上构造产品的三维模型。利用计算机辅助设计软件(如PRO/ENGINEER、IDEAS、UG等)，根据产品的要求构造出它的三维模型2；或对产品实体进行
14、激光扫描或CT断层扫描，得到各层轮廓扫描数据,再利用三维建模软件构造出三维模型。2) 产品三维模型的表达在快速成型系统中，需要使用一系列的小三角形平面来近似表达三维模型表面(单元表达法)，三维模型经过这样的处理后就形成了STL格式的文件。STL格式用于快速成型技术，有ASCII码和二进制码两种输出形式，二进制码输出形式所占用的文件空间比ASCII码输出形式的文件空间小得多,但ASCII码输出形式可以阅读并能进行直观检查。3) 三维模型的切片处理根据模型特征选择适当的角度,在高度方向每隔一定的间隔进行切片,拾取截面轮廓信息。间隔一般取0.050.1mm左右，间隔越小，成型精度越高,但成型花费时间
15、就越长，效率就越低，反之则精度低，但效率高。4）原型产品的制造模型切片处理后,就可以输入到各类成型机系统中成型了3。在计算机的控制下,相应的成型头(激光头或喷头)按各截面轮廓信息做扫描运动,在工作台上一层一层地堆积材料,就得到了原型产品4-5。图1.1 快速原型的成型过程Fig.1.1 Molding progress of RP（2）快速原型技术的分类1）光固化立体造型技术SL(Stereolithgraphy)这种方法是最早出现、应用最为广泛的一种快速原型技术，它的工作过程如图1.2所示：首先在计算机上用三维CAD系统构成产品的三维实体模型(见图a)，然后生成并输出STL文件格式的模型(见
16、图b)。再利用切片软件对该模型眼高度方向进行分层切片，得到模型各层截面的二维数据群Sn(n1，2，n)，如图c所示6。依据这些数据，计算机从下层S1开始按顺序将数据取出，通过一个扫描头控制紫外激光束，在工作槽中盛满液态光敏树脂(在一定波长的光的照射下会发生固化)，升降基座上附带有导轨和刮板。当成形开始时,先在工作台上铺上第一层设定层厚的液态树脂，光源在计算机的控制下按本截面轮廓要求，作横向和纵向扫描,使轮廓内的树脂固化。形成第一层界面固化层后，工作台下降一个设定高度d，在该层的表面上基础上再铺上另一层树脂，导轨带动刮板运动刮平树脂,然后光源再纵横向扫描固化树脂，新固化的一层就牢固地粘接在先前固
17、化的一层上，这样一层层固化、粘结，直到Sn层为止，最终形成一个立体的实体原型(见图f)。这种工艺使用的光敏树脂现在都采用环氧树脂，与原来采用的丙稀酸等其它树脂相比,具有粘度适中，收缩变形小,固化速度快等特点7。美国几家公司合作研制出了彩色光固化，它使用一种含添加剂的树脂,通过改变爆光量，固化后的树脂可以显示出不同的颜色。在一些领域例如医学领域，做头盖骨肿瘤模型可以采用这种方法制作的彩色原型，比传统的模型可视性高；在新产品试制时,采用彩色原型，可以显示出细节修改，内部应力变化等情况，具有很大的实用性、方便性。如果将陶瓷粉或金属粉加入到液态树脂中，固化出原型，高温烧掉树脂聚合物后，就可以得到陶瓷或
18、金属制件,这也是目前前沿研究的内容之一8。图1.2 SL成形原理Fig.1.2 Principles of SL forming2）熔丝沉积成形FDM(Fused Deposition Modeling)熔丝沉积成形工艺FDM由美国学者Scott Crump博士于1988午率先提出，随后于1991年开发了第一台商用成形机。该工艺一般采用低熔点丝状材料，如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、尼龙丝等丝状热塑性材料，它们不用高能量密度的激光为热源，只需在喷头内以电加热的方式即可将丝材加热到熔融状态。熔丝沉积快速成型机工作原理如图所示1.3所示，该成型机主要由喷头装置、送丝装置、运动机构、加热工作室、工作
19、台等组成9。首先由计算机接受STL格式的三维数字模型，并沿垂直方向进行切片处理，得到模型的横截面数据，由模型截面数据生成扫描路径指令并准备好丝材；喷头装置在计算机的控制下，根据加工工件截面轮廓的信息作X，Y平面运动，同时将熔化了的材料喷挤出来，成形一个截面的形状。当前层成形完毕即控制工作台下降一个层厚的高度，再进行下一层截面的成形10。如此一层一层成形，最终形成所需要的三维零件产品。工作台下降高度要精确控制，否则层厚过大上下层之间的黏结不充分；过小则上下层之间被挤压产生变形而影响制件的精度11。 图1.3 FDM的成形原理Fig.1.3 Principles of FDM forming这种成
20、形方法适合成形中小塑料件，当成形腔室部分予以密闭和保温(约70)时，能够制造ABS塑料件。制件的翘曲变形小，原材料的利用率高，成形件精度可达0.127mm(对于300mm3的成形件)。但原材料的价格昂贵(每千克250400美元)，成形件的表面有较明显的条纹(当切片厚度达0.254mm时，平均粗糙度Ra1553m)，成形件垂直方向的强度比较弱，也需设计、制造支撑结构，并且仍需对整个截面进行扫描涂覆，因此成形时间较长。为克服这一缺点，可采用多个热喷头同时进行涂覆，以便成形效率。人们现在在研究将金属和陶瓷等材料应用到这种方法中，用陶瓷或金属粉末(不锈钢、黄铜、铝、铁等)分别加上聚合物粘接剂，成型后高
21、温烧掉聚合物,就可以得到制件。同样为了提高速度和精度，在路径的生成方式、喷头在平面内的运动速度和材料的进给速度等方面都有待于进一步研究。3）薄材叠层成形LOM(Laminated Object Manufacturing)薄材叠层成形 (Laminated Object Manufacturing，简称LOM)，它主要由激光器、光学系统、X-Y扫描机构、材料传送机构、热压粘贴机构、四导柱双滚珠杆升降工作台和控制系统等组成12。目前商品化的成形机使用纸张作为材料，做成纸卷便于送料。纸材一面涂覆一层热熔胶，工作时涂胶面朝下13。用激光器、光学系统和X-Y扫描机构引导激光束在纸面切割模型的截面形状；
22、材料传送机构在计算机控制下，自动送进材料和回收废料；热压粘贴机构在计算机控制下将热滚筒滚过工作面，使上下层纸材黏结在一起；四导柱双滚珠杆升降工作台在计算机控制下，每次下降一个纸厚的高度。图1.4 LOM的成形原理Fig.1.4 Principles of LOM forming纸叠层成形系统的工艺过程如图1.4所示：首先由计算机接受STL格式的三维数字模型，并沿垂直方向进行切片，得到模型的横截面数据；由模型截面数据生成切割截面轮廓的轨迹，并生成激光束扫描切割的控制指令；材料送进机构将原材料(底面涂覆有热熔胶的纸或塑料薄膜)送至工作区域上方；热压粘贴机构将热压滚筒滚过材料，使材料上下粘贴在一起；
23、激光切割系统在计算机控制下，根据模型的切片横截面轮廓的切割轨迹，在材料上表面切割出轮廓线，同时将非模型实体区切割成网格，这是为了在成形件后处理时容易剔除废料而将非模型实体区切割成小碎块；支撑成形件的可升降工作台，在每层模型截面轮廓切割后下降一个一个材料厚度(通常为0.10.2mm)，材料传送机构将材料送进工作区域，一个工作循环完成。重复上述工作循环，直至最终形成三维实体制件14。成形加工工作完成后需要进行必要的后处理工作。将完成的工件从成形机上卸下来，手工将成形件周围被切成小方块的废料拆卸掉。此时成形件的表面比较粗糙，可以通过打磨和喷涂的方法处理，最终完成一个原型件的制造15。这种方法使用的材
24、料目前商用的只有纸，其它的材料如塑料、陶瓷、金属等目前正处于研究阶段。4）选择性激光烧结法SLS(Selective Laser Sintering)选择性激光烧结法的成形原理不同于其他几种快速成形方法，从理论上来说任何受热后能够黏结的粉末都可以用作SLS烧结的原材料，虽然目前研制成功的可实用的SLS原材料只有十几种，但其范围已覆盖高分子、陶瓷、金属粉末和它们的复合粉16。因此通过SLS除了能够快速制造出其他材料的制件外，还可以快速获得陶瓷和金属试件，这是其他几种快速成形技术目前还做不到的。另外，SLS无材料浪费现象，未烧结的粉末可重复使用。由于成形材料的多样化，使得SLS的应用范围非常广泛。
25、图1.5 SLS的成形原理Fig.1.5 Principles of SLS formingSLS成形过程如图1.5所示。主要由激光器、激光光路系统、扫描镜、工作台、供粉筒、铺粉辊和工作缸构成。成形时，在事先设定的预热温度下，先在工作台上用辊筒铺一层粉末材料，然后激光束在计算机的控制下，按照截面轮廓信息，对制件的实心部分所在的粉末进行扫描，使粉末温度升至熔化点，于是粉末颗粒交界处熔化，粉末相互黏结，逐步得到各层轮廓17。在非烧结区的粉末仍呈松散状，作为工件和下一层粉末的支撑。一层成形完成后，工作台下降至一个截面的高度，再进行下一层的铺料和烧结，最终形成三维零件。之后未熔化的粉末可以被刷掉或刮离
26、制件18。1.1.2 基于快速原型的快速制模技术利用RP技术快速制造模具可以分为直接制模法和间接制模法两大类19。直接制模法是根据模具的CAD数据由RP系统直接堆积制造模具，不需要系统制造样件。间接制模法是先做出快速原型，然后由原型复制得到模具的方法，应用非常普遍。(一) 直接制模法直接制模是基于RP技术，将模具CAD的结果由RP系统直接制造出树脂模、陶瓷模和金属模具，该法不需要用RP系统制造样模，也不依赖传统的模具制造工艺20。随着RP技术的发展，可用来制造原型的材料越来越多，性能也在不断改进，一些非金属RP原型已有较好的机械强度和热稳定性，因此可以直接用作模具，直接快速制模技术包括3种工艺
27、方法。(1) 直接软模制造技术采用各种快速原型技术包括光固化成型（SLA）、选择性激光烧结成型（SLS）、纸叠层成型（LOM）等，可以直接将CAD模型(虚拟模型)转换为具有一定机械性能的非金属原型(物理原型)，在许多场合下可作为软模具使用，用于小批量塑料零件的生产。 (2) 准直接快速制模技术这里准直接主要是指通过RP技术生产的模具还需要较多的后续工作才能用于工件的生产，其主要方法是通过RP方法将包有粘结剂的金属粉(SLS)、金属悬浮液(SLA)、带有金属粒子的塑料丝(FDM)成型为半成品，再经过粘结剂的去除和渗金属等后续工艺从而产生模具21。上述模具可用于中等批量的塑料零件和蜡模的生产。(3
28、) 直接快速制模技术直接快速模具制造(Direct Rapid Tooling)是利用快速成形技术直接制造模具，再经过一些必要的后处理和机加工以获得模具所要求的机械性能、尺寸精度和表面粗糙度。目前能够直接制造金属模具的工艺有SLS，3DPG， LOM和FDM等，其常用制造方法如下：1) SLS工艺直接制造快速模具SLS工艺是把聚合物粘结剂包覆的金属粉末，放入炉中焙烧，将粘结剂烧失，再将低熔点的金属(如铜)渗入烧结后模具内部的孔隙中，最后抛光型腔表面和型芯面，加上浇注系统和冷却系统，构成模具。这种工艺方法是目前直接快速模具制造技术中应用最广泛的，其主要缺点是材料焙烧时收缩较大，因而零件尺寸精度控
29、制比较困难。2) 三维喷涂粘结(3DPG)直接制造快速模具三维喷涂粘结制模法的原理是:将树脂经精细的喷头(Nozzle，在80mm长度内安装120个喷头)根据CAD模型分层信息，有选择地喷射到平铺好的金属或陶瓷粉末上将其凝结成一个层面，没有被喷到树脂的粉末仍为离散状态且镶嵌在以成形的部分之间成为其支撑。如此层层粘结而成为模具的半成品。然后对其进行烧结去除树脂并提高其强度从而得到最终的(陶瓷型)模具。对于金属粉末烧结后所得的原型可渗入熔点较低的金属最终得到一个金属基的复合材料模具。这种制模方法和LSS制模法比较类似，其差别在于SLS法的粉末不是靠滴树脂来粘结，而是预先在粉末外包覆树脂。3) FD
30、M工艺直接制造快速模具FDM工艺通过材料沉积、层面机械加工和喷丸处理三个步骤制造金属零件，层面机械加工的引入使所获得的零件具有较高的精度和表面质量，因此可以直接制造高致密度的金属零件/模具22。FDM工艺制造的金属模具突破了零件复杂程度的限制，同时又具有较高的成形精度。4) LOM直接制造快速模具用叠层实体制造技术(LOM)工艺直接制成的纸制模具与常用木模具有同等的强度和耐磨能力，并可耐200的高温，经过表面处理(如喷涂清漆、高分子材料或低熔点金属)可作为低熔点合金的模具或样件试制用的注塑模以及精密铸造用的蜡模成型模，还可代替砂型铸造用的木模23。(二) 间接制模法间接快速模具制造技术，通过快
31、速成形与传统加工技术的有效结合，预先制造出一个母模(一般由快速原型系统建立)，由这样的母模产生模具的型芯，这样较易控制模具的精度、表面质量、机械性能，而且根据不同的应用要求还可以使用不同复杂程度和成本的制造工艺，因此目前制造业多数使用间接快速模具制造24。比较典型的技术有硅橡胶制模工艺、金属喷涂制模工艺、快速精密铸造工艺、Keltool工艺和电铸模工艺等。依据材质不同，间接制模法生产出来的模具一般分为软质模具和硬质模具两大类，其中软质模具主要用于小批量零件或者用于产品的试生产。软质模具因其所使用的材料较软(如硅橡胶、环氧树脂、低熔点金属、锌金属等)有别于传统的钢质材料而得名，由于其制造成本低和
32、制作周期短，生产制品的数量一般为505000件，因而特别适用于批量小、品种多、改型快的现代制造模式。对于生产上万件乃至几十万件的产品，仍然需要传统的钢质模具，硬质模具指的就是钢质模具。利用RP原型制造钢质模具的主要方法有熔模铸造法、电火花加工法、陶瓷型精密铸造法等。(1)用RP原型为母模的快速软模制造法如果零件的批量较小(几十到几千件)，则可用非钢铁材料制作成本相对较低的软模具。其工艺为用RP技术制作零件原型，然后以RP原型为母模，浇注蜡、硅橡胶、环氧树脂、聚氨醋等软材料，构成软模具。其中蜡模用于熔模铸造；硅橡胶、环氧树脂、聚氨酷等用作小批量生产用注塑模，或低熔点合金(如锌合金、铝合金)铸造模
33、25。这些软材料具有很好的弹性、复印性和一定的强度，在浇注原型复杂模具时，可以大大简化模具的结构设计，并便于脱模。如用硅橡胶来复制模具时，可不考虑增设拔模斜度，基本不会影响尺寸精度。室温硫化硅橡胶有很好的切割性能，用薄刀片就可容易地将其切开，并且切面间非常贴合，因此用它来复制模具时，可以先不分上下模，整体浇注出软模后，再由预定分模面将其切开，取出母模，得到上下两个母模。室温硫化硅橡胶强度较低，由其构成的软模具寿命为1025件26。高温硫化硅橡胶具有比室温硫化硅橡胶更好的性能，可承受430500的高温，硬度为HAS5575，抗压强度为12.460.1MPa，用这种材料制成的锌合金离心铸造模寿命可
34、达200500件。环氧树脂合成材料构成的软模具寿命可达300件。(2)用RP原型为母模的快速硬模(金属模具)制造法l) 陶瓷型精密铸造制造模具在批量生产金属注塑模具时可采用此法。其工艺过程为:RP原型复制软模移去母模在软模中浇注或喷涂陶瓷浆料浇注金属型腔表面抛光加入浇注系统和冷却系统批量生产模具27。2) 熔模精密铸造制作模具在批量生产金属模具时，先得用RP原型或根据原型复制的中间过渡模制成蜡模的原型模(压型)，然后利用该原型模制造蜡模，再用熔模铸造工艺制成金属模具。在单件生产复杂的模具时，也可用SLA、SLS、FDM及LOM法加工的纸、石蜡、树脂和塑料等RP原型代替蜡模，在RP原型上直接涂挂
35、耐火浆料，用类似熔模铸造方法制壳浇注金属模具。由于原型可以直接从CAD数据产生，传统方法中用于制作蜡模的压型设计和制作都不必要了，从而使精密铸造工艺得到简化。3)、金属熔射喷涂制造模具在RP原型或过渡模型为母模的表面上，用电弧或等离子喷涂雾状金属，形成金属硬壳层，移去母模后，在金属壳背面补铸金属基合成材料或环氧树脂，形成硬背衬，经后处理得到金属面、硬背衬模具。这种方法操作较简单，制作的模具机械性能较好，精度也容易保证，可以制作工作压力较高的模具，模具寿命可达100030000件。4)、用化学粘结陶瓷制作模具以RP原型为母模制作软模具，利用软模具快速制作陶瓷材料模具。其工艺过程为:快速原型制作纸
36、质母模浇注硅橡胶、环氧树脂、聚氨酯等软材料，构成软模移去母模在软模中浇注化学粘结陶瓷(CBS) 在205下固化CBS型腔型腔表面抛光加入浇注系统和冷却系统小批量生产注塑模。这种陶瓷模具的寿命约为300件28。5)、采用铝基合成材料制造模具以RP原型为母模，浇注硅橡胶等软材料形成软模具，移去母模后，室温下在软模中浇注铝基合成材料，形原型腔，型腔经后处理后制得模具。由于是在室温下浇注，避免了高温熔化金属浇注导致的较大翘曲变形，精度容易得到保证29。这种方法制作的注塑模具寿命一般为5005000件(取决于被注射原型零件的材料和形状)。6)利用RP原型制作EDM电极用于模具加工注塑模等多种模具经常用电
37、脉冲加工机床(EDM)加工，利用RP原型或其工艺转换模，可以采用研磨法、精密铸造法、电铸法、粉末冶金法、石墨原型法等，快速制作石墨电极或金属电极，用于模具加工。用RP技术制作的电极精度高，表面质量好，制造速度快成本低。1.1.2电弧喷涂制模技术的国内外发展现状1986年，波兰人在第十届国际热喷涂会议上介绍了用低熔点合金喷涂制模的方法30。用低熔点合金制造的模具，由于硬度低、抗压性能差，因而只适用于一些低温、低压的塑料成型工艺中。高熔点材料涂层的机械性能好，但由于喷涂时，涂层收缩率、热应力、孔隙率都比较大，因而涂层容易开裂、变脆，另外，还会烧损原模型31。目前还只局限于低熔点、低收缩率的喷涂材料
38、32。所以，现在一般用锌丝、铝丝、锌铝合金丝等作为喷涂材料进行塑料模具的制造。近年来，由于对喷涂设备的不断改进，可以用来制造注塑模、吹塑模、拉延模、玻璃模、聚胺脂复合模、发泡成形模、橡胶模等，该技术在美国等一些制造业发达国家已被应用于实际生产中33。例如，美国的TAFA公司已将电弧喷涂制造的模具应用于汽车行业中聚氨醋制品和制鞋工业34-35；美国的Ford采用多个喷嘴的电弧喷涂设备，分别用N2、Ar、空气等作为压缩气体，可以制作高熔点的电弧喷涂模具，采用4喷枪机器人操作的喷涂工艺，已经可以制造914914mm的模具，预计到2004年可以制造24382438mm的模具;英国的牛津大学、Novar
39、c、Sulzer metco以及Novarc等公司将电弧喷涂制模运用于汽车、飞机等方面；日本的日产汽车公司的熔射制模法也采用不锈钢作为熔射材料，并采用树脂.金属复合材料补强，已用于数万至二十多万件的轿车覆盖件成形36-38。在国内，由于电弧喷涂设备的性能和塑料制造工业的限制，此项技术还处在摸索阶段。近年来，研制发展的高速电弧喷涂设备喷制的涂层，不但均匀而且颗粒更加细小，涂层的性能得到进一步的提高。利用直径 2mm丝材电弧喷涂设备，对此技术进行了比较系统的研究和开发，在脱模剂、制模材料、制模工艺等方面都取得了一定进展39。西安交通大学激光快速成形及模具制造中心利用热喷涂技术成功地制成了农用滴灌喷
40、头的锌合金模具，使用寿命可达数千件。殷华公司及烟台机械工艺研究所与烟台泰利汽车模具公司合作采用电弧熔射锌合金制作出快速经济注塑模具。北京新迪表面技术工程有限公司专门生产了用于喷涂制模的CMD-1620电弧喷涂机。烟台机械工艺所开发的DPT-B型电弧喷涂制模设备制成了汽车方向盘、摩托车座垫等模具40。1.2电弧喷涂材料种类及应用电弧喷涂要求使用丝材。一般来说，能够导电且可拉拔成丝的材料都可用于电弧喷涂41。同时具备这两个条件的材料几乎都是金属或合金。许多脆性较大的材料由于不能被拉拔成丝而限制了它们的使用，因此可用于电弧喷涂的材料种类远少于火焰喷涂和等离子喷涂。目前，用于电弧喷涂的材料种类主要是铁
41、、镍、铜、锌、锡等金属和合金。它们按用途分为：尺寸恢复、防腐蚀、抗氧化、耐磨损以及其它应用。目前国内常用的丝材都是圆截面，直径为1.6mm，2.0mm和3.0mm。1.2.1 铁基合金（1）18-8型奥氏体不锈钢18-8型奥氏体不锈钢的含碳量较低，一般在0.050.12之间，Cr1625%，有时为了提高抗点蚀能力加入25%的Mo，防止晶间腐蚀加入少量的Ti或Nb元素42。目前国内没有专门为电弧喷涂生产的丝材，只能从现有焊接材料中选择合适牌号丝材用于电弧喷涂，常用的丝材牌号有：1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni9，0Cr18Ni9，1Cr18Ni9Mo2等。这些材料具有良好的耐磨性、强度和抗腐
42、蚀性，涂层允许切削加工。该涂层最大的缺点就是收缩系数较大和硬度偏低。应用：凡是要求耐磨腐蚀兼有耐磨损的地方都可使用18-8型不锈钢涂层。如泵柱塞、各种轴、密封环、大型汽缸、轴套、转子叶片、活塞杆等等。由于涂层的收缩应力较大，凡是存在边界的地方，应采用开沟槽处理使涂层厚度大于0.75mm。（2）Cr13型马氏体不锈钢Cr13型马氏体不锈钢是用于机械零件修复和恢复尺寸最普遍应用的涂层材料之一。其成分范围是C0.10.4%，Cr1214%，较常用的牌号是含C0.250.44%间的3Cr13和4Cr13.这种材料具有很高的硬度和耐磨性同时兼有较好的耐腐蚀性。在电弧喷涂时，钢丝被电弧熔化，熔滴在极短时间
43、内完成凝固和马氏体相变过程，所得到的涂层具有较高的硬度和耐磨性，并且由马氏体相变的体积增大效应部分地补偿了涂层的收缩应力，降低了涂层的开裂倾向，提高了涂层与基体结合的可靠性。该涂层具有较高的自身结合强度，大约200MPa。它的硬度范围为HRC3040，涂层的后加工方式以磨削为宜。应用：凡是要求硬涂层并兼有耐蚀性要求的地方可使用该材料。例如，钢铁厂的轧辊轴颈工作在水润滑的树脂轴瓦中，它既有水的腐蚀，又有水中微粒磨损问题。通过喷涂4Cr13涂层使轧辊轴颈的耐蚀性，耐磨性大大提高。在如下方面Cr13涂层也得到了相当成功的应用：各种水压机、油压机柱塞、汽缸壁、各种直轴曲轴、造纸烘缸、风机叶片和泵柱塞等
44、。（3）碳钢低碳钢 常用的低碳钢是25号钢丝，它的含碳量0.25%左右，涂层的硬度不高，且收缩率较大，凡是存在棱角的地方，并且涂层厚度大于0.75mm的工件要求在工件上开沟槽以提高结合可靠性。该涂层硬度较低，可切削加工，在加油润滑条件下，涂层中的孔隙有助于增加涂层的耐磨性。典型应用有，电枢轴、轴颈轴承面、滚动轴承座等。高碳钢 这是一些含碳量0.60.9%的碳钢和低合金钢。常用的牌号80号钢丝，65Mn钢丝。这些材料在喷涂后，可得到马氏体转变，涂层有较高的硬度和耐磨性以及较低的收缩系数。在有油润滑条件下，由于涂层中的孔隙有储油作用，其耐磨性优于调质钢。涂层的后加工以磨削为宜，磨削加工后表面光洁度
45、很好。应用：凡是需要硬的、低收缩性的涂层的地方可选用80号钢丝或65Mn钢丝作为喷涂材料。它还可以用于修补铸件(如发动机气缸体和气缸盖、铸件的缺陷等)、电枢轴、加工超差工件、各种轴颈、柱塞、密封环、阀杆、阀芯、曲轴等等。1.2.2 铜及铜合金纯铜主要用作电器开关和电子元件的导电喷涂层及塑像、工艺品、水泥等建筑物表面的装饰喷涂层。黄铜喷涂层广泛用于修复磨损及加工超差的零件，修补有铸造砂眼、气孔的黄铜铸件，也可作为装饰喷涂层使用。铝青铜的结合强度高，抗海水腐蚀能力强，并具有很好的耐腐蚀疲劳和耐磨性。主要用于修复水泵叶片、气闸阀门、活塞、轴瓦，也可以用来修复青铜铸件及装饰喷涂层。铜合金除了可以加工成
46、线材外，还可以制成铜基合金粉末。铜磷合金粉末层具有摩擦系数低和易加工的特点，可用于缸体和机床导轨的修复43。1.2.3 镍基合金（1）Ni-Al复合丝Ni-Al复合丝是一种很好的自结合材料，在碳钢、合金钢、氮化钢、铸铁和钛合金表面可获得满意的结合。它是通过在铝管内充填镍粉的方法制得。Al和Ni的比例为20/80。该材料经常被用作工作涂层与基体之间的粘结底层，通常厚度为0.080.18mm。涂层中含有较硬的Ni3Al，NiAl和氧化物，采用磨削方式。作为单独的涂层体系它经常被用作要求涂层致密、抗氧化，耐高温和热冲击的许多场合。（2）Ni-Al合金丝用于电弧喷涂的Ni-Al合金丝化学成分近似于镍包
47、铝粉末，Ni/Al比例为95/5。在许多方面Ni-Al合金丝可以代替Ni-Al复合丝，而它的价格低于Ni-Al复合丝。电弧喷涂这种材料时，镍和铝的氧化反应(而不是镍化铝的形成)放出大量的热，使熔滴在撞击到工件表面的瞬间与基体表面发生冶金结合，形成一些微“焊合”点，导致涂层与工件的牢固结合。用空气喷涂Ni-Al合金涂层结合强度好于用氮气或其它惰性气体的喷涂。电弧喷涂Ni-Al合金涂层除了用作粘结底层材料外，还可用作修理飞机发动机等重要的零部件44。（3）蒙乃尔合金蒙乃尔合金是一种Ni-Cu合金，其典型成分为Ni67%，Fe1.5%，Mn1.0%，Cu30%。它的熔点1316。涂层宏观硬度HRB8
48、0左右。涂层均匀致密，加工性好，可车削加工，磨削效果更好。它经常被用作化工厂中需要耐蚀的机械零部件以及蒸汽阀门、船用螺旋桨轴、轴套、液压泵、泵柱塞、印刷辊等。（4）Ni-Cr合金45CT：美国TAFA公司研制的牌号为45CT合金丝是专门用于喷涂锅炉水冷壁保护涂层而设计的。它的成分是：Cr43%，Ti3%，Ni余量。锅炉水冷壁管是由碳钢制成，它的腐蚀问题是发电，造纸和化学工业中经常面临的问题。在在使用中，燃料中的碳化物腐蚀与锅炉高温烟尘的冲蚀导致管壁的损坏与失效。电弧喷涂45CT涂层可以很好地保护锅炉管道，延长其使用寿命。这种涂层的膨胀系数与碳钢管材的膨胀系数相近，涂层剥落性小，涂层中氧化物含量小，孔隙率低，与母材结合可靠，耐高温腐蚀效果很好，年损耗量小于0.025mm，是一种较好的锅炉管道的修复和保养涂层。80Ni20Cr：经电弧喷涂后，该涂层与钢铁基体有较好的自结合效果。涂层的收缩应力较大，不适合喷厚涂层。涂层硬度为HRB90左右，可机械加工。涂层有较好的耐高温、抗氧化能力
