点焊电极表面电火花沉积TiC、TiB2涂层结构和性能的研究

摘要

镀锌钢板在汽车上的应用越来越广泛。为了提高镀锌钢板点焊电极的使用寿命，在电极表面通过电火花沉积制备了Tic涂层和TiB2涂层。本文系统地研究了沉积工艺对不同涂层结构和性能的影响并正交试验优化了沉积工艺，分析TiC涂层、TiB2涂层的微观结构，探讨了制备TiB2涂层时中间层Ni和TiC的制备技术，以及沉积过程中涂层材料的转移过程及影响因素，考察了不同涂层电极点焊镀锌钢板时的寿命，得到了如下的主要研究结果：
　　 1.单次放电的TiC陶瓷沉积点为直径约1.2mm的岛屿，中央是致密的小平台，边缘呈放射泼溅状。无数个单脉冲沉积点堆积形成了整个涂层，因此涂层微观上呈鱼鳞状，表面粗糙不平。
　　 2.涂层电极横截面呈现典型的四区结构，从表到里依次为涂层、过渡层、热影响区和基体。涂层平均厚度为20μm-40μm；涂层和基体材料在过渡层中发生了扩散和合金化，X射线衍射和EDS能谱分析表明，基体中的Cu扩散到了涂层表面，并形成梯度分布；基体与涂层之间形成了牢固的冶金结合；热影响区中基体的原始组织在电火花放电能量作用下发生再结晶导致晶粒大大细化，但其深度小于100μm，故对基体的影响可以忽略。由于元素扩散和热应力导致的涂层裂纹，涂层试样的硬度由表及里呈梯度分布。
　　 3.在点焊电极表面电火花沉积TiC、TiB2涂层时，熔敷棒材料向基体发生非线性的重量转移，沉积速度逐渐降低，并在90s-120s后趋于稳定。沉积TiB2涂层时，涂层试样重量逐渐降低。影响涂层材料转移的因素有电极腐蚀、涂层材料氧化、熔敷棒对基体的切削作用和涂层的脆性脱落和。造成TiB2涂层重量降低的主要原因是涂层的氧化和脆性脱落，使用Ar保护可以免除氧化，使TiB2涂层试样重量增加。
　　 4.电火花沉积工艺对涂层的结构和成分有明显的影响。随着电容和电压的增加，脉冲放电能量增大，涂层热应力和脆性加大，裂纹和分层增加。在试验条件下(电容2000μF-4000μF和输出电压16V-22V)TiC涂层基本无氧化，由于TiB2的热稳定性比TiC差，因此相同条件下制备的TiB2涂层出现明显氧化，生成的B2O3部分挥发，部分以玻璃态附着在涂层表面。降低电压和电容可减轻TiB2涂层的氧化，采用Ar保护制备TiB2涂层，可以获得无氧化的。TiB2涂层。
　　 5.电火花沉积工艺对涂层的硬度和厚度有明显影响。实验条件下，电容是影响涂层硬度和厚度的主要因素，随着电容和电压的增加，TiC涂层和TiB2涂层的厚度与硬度均下降。基体的旋转速度和沉积时间对涂层厚度和硬度的影响较小。试验条件下优化的沉积工艺是：制备TiC涂层时，电容2000μF，沉积时间120s，基体转速3000 r.min-1，输出电压18V；制备TiB2涂层时使用较低的输出电压(14V-16V)。
　　 6.预涂覆Ni层结构致密，无裂纹和分层。因为Ni的塑性和韧性好，在电火花沉积过程中热冲击产生的热应力很容易通过缺陷的运动或变形来释放，因此不会产生严重的应力集中导致产生裂纹。TiC和TiB2涂层中均产生明显的微观裂纹，是因为脆性大的陶瓷涂层的内应力无法通过变形来释放，应力集中到一定程度便产生了裂纹。
　　 沉积TiB2时涂层与基体界面产生分层，在中间层Ni上沉积TiB2涂层，获得了结构比较致密的涂层。在中间层TiC表面沉积TiB2涂层时，涂层界面结合改善，硬度增加。由于TiC的热障作用，在基体的热影响区形成了细晶组织，并外延生成出了柱状晶。
　　 7.涂层能够提高电极的使用寿命。试验条件下无涂层电极、TiC涂层电极、TiB2/Ni涂层电极、TiB2/TiC涂层电极和TiB2+TiC混合涂层电极点焊镀锌钢板的寿命分别是200点、400点、600点、900点和1000点。涂层电极失效的机制包括塑性变形、合金化、热疲劳和磨损。涂层提高了电极的耐磨性，降低了焊点向电极的热传导从而减轻了电极的塑性变形，阻碍了钢板与电极元素的合金化，从而提高了电极寿命。涂层增加了电极的电阻，焊接时产生更大热量，提高了焊点的结合强度。TiB2涂层电极的导热性和导电性比。TiC涂层的好，点焊寿命高。中间层Ni和TiC改善了涂层与基体的界面结合，混合涂层的界面结合好，从而提高了电阻寿命。