响应曲面设计在碳化钨-钴-铬涂层褪除工艺优化中的应用

康忠明*，陈志坤

（广东省新材料研究所，现代材料表面工程技术国家工程实验室，广东省现代表面工程技术重点实验室，广东 广州 510651）

在表面科学领域，硬质、耐腐蚀、耐磨损的碳化钨涂层在航空航天、石油钻探和包装印刷领域的应用非常普遍，尤其以含钴碳化钨涂层最为广泛。WC涂层中的WC陶瓷具有很高的硬度，而Co能提供涂层所需的韧性和结合强度，因此被广泛用于修复零件及要求高耐磨的零部件[1-3]。而在对返修零件及喷涂生产中产生的不合格品进行再加工时，就必须先去除原有涂层，才能重新进行喷涂。目前多采用机械方式去除原有涂层，这样不但容易使工件壁厚减薄，而且容易造成工件表面完整性变差，形状复杂的零件更难对付。

目前也有用化学法去除WC-Co涂层的报道[4]，多采用酸性溶液使涂层中的Co发生化学反应而生成Co2+离子，使涂层脱落。但这种方法要求基体必须耐强酸腐蚀，因此应用受限。目前国内外多采用碱性溶液，通过电化学的方式来褪除，其效果与溶液浓度、电流密度、温度、pH等工艺参数有很大的关系。本文采用实验设计(DOE)的方法，研究褪除粉浓度、pH和褪除时间对电化学方法褪除WC涂层效果的影响，分析影响褪除的主要因素，并寻找最佳解决方案。

1 实验

基体材料为 45钢，先对其单面超音速喷涂 0.20 mm厚的 WC-10Co-4Cr涂层，然后把钢板切成80 mm × 20 mm × 3 mm的大小(喷涂后增重10 g)。褪除流程为：除油→水洗→电化学褪除→水洗→吹干。

褪除配方和工艺为：褪除粉(由广东省新材料研究所研制，主要成分是柠檬酸钠和碳酸钠)0.1 ～ 0.4 kg/L，pH 11 ～ 13，室温，电流密度5 A/dm2，采用100 mm × 50 mm × 1.3 mm的不锈钢板作为阴极。

采用称重法和测厚仪检测涂层的褪除程度。采用LEICA DMIRM倒置式金相显微镜及Q550MW金相图像分析仪观察褪除前后的表面形貌。

2 结果与讨论

2.1 正交试验的因子与水平安排

根据响应曲面中心组合设计原理，以褪除失重Y(指褪除涂层后试片的质量与喷涂前试片的质量之差)为表征褪除效果的指标，设计了三因素三水平试验(见表1)，以便对褪除时间、pH和褪除粉质量浓度这3个影响褪除效果的主要因素进行优化。

表1 试验因子与水平Table 1 Experimental factors and levels

2.2 因子显著性分析

先采用全因子实验设计对因子效应和交互作用进行全面分析(见表2)，结果如表3所示。模型拟合程度的相关系数用F检验和P值来检验。褪除时间、褪除粉质量浓度和pH对褪除效果的影响均显著(P＜0.05)，但它们交互作用的影响不显著。模型的相关指数(R2)为0.999 6，说明与实际拟合度良好。从方差分析可以看出，模型基本上是好的。对模型进行改善主要是删除X1、X2、X3之间的交互作用，增加其二次平方项，然后重新进行回归分析和显著性测试。由于显著性不足，继续删除X2和X3的平方项，最终方差分析结果如表4所示。

表2 全因子试验设计表Table 2 Design of full factorial experiment

表3 回归方程系数及方差分析检验Table 3 Inspection of regression equation coefficients and variance analysis

从表4可知，回归项P几乎为0，表示该模型高度显著，与实际拟合度高。X1、X2、X3、均为高度显著项，R2为0.997 2，说明删减后的模型很好。最终分析获得的二次回归多项方程见式(1)。

表4 新模型回归方程系数及方差分析检验Table 4 Inspection of regression equation coefficients and variance analysis for the new model

2.3 响应曲面分析

为了更直观地表示设计因子和响应变量之间的关系，体现各因子对相应变量的影响关系，按三因子两水平响应曲面试验表进行，结果见表5。

表5 各因子的响应曲面设计Table 5 Response surface design of different factors

图1显示了褪除失重与褪除时间、褪除粉质量浓度和pH之间的影响的等值线图，从其中可以精确地判断三因子中的一个取中值(X1、X2、X3的中值分别为0.25 kg/L、90 min和12)时，其他两个因子取值对Y的影响，从而为制定褪除工艺提供指导。可见Y随X1、X2和X3升高而降低。X1、X2、X3之间没有交互作用，但都显著影响Y。式(1)为准确找到褪除失重Y为0时X1、X2、X3的取值关系给出了比较理想的方案。根据图1确定了X1= 0.1 ～ 0.4 kg/L，X2= 60 ～ 120 min，X3= 11 ～ 13。可见该工艺窗口较窄，这也是传统优化试验的难点所在。

图1 X1、X2和X3对Y影响的等值线图Figure 1 Counter lines for the effects of X1, X2, and X3 on Y

2.4 验证性试验

在褪除粉质量浓度为0.3 kg/L、pH为12的条件下对涂层褪除80 min，5次验证试验的结果见表5。褪除失重平均值为-0.07 g，可见预测值与试验值基本吻合。从图2也可看出，试验结果是比较理想的。

表6 验证试验结果Table 6 Results of inspection tests

图2 试片经不同工序处理后的金相照片Figure 2 Metallographs of test coupons after being treated by different procedures

3 结论

通过回归分析和响应曲面分析得到了褪除WC-10Co-4Cr涂层后45钢基体的失重与褪除浓度、褪除时间和 pH之间关系的二次回归方程，在保证必要计算精度的前提下，显著节省了试验成本，提高了优化设计效率，可以得到准确可靠的优化结果。经过实验验证，褪除粉在0.25 ～ 0.30 kg/L，pH为11 ～ 12时，褪除时间80 ～ 90 min，都能取得非常好的褪除效果。