電火花沉積技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張留偉，邵 俊

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州318000）

專論綜述

電火花沉積技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

張留偉，邵 俊

（臺(tái)州科技職業(yè)學(xué)院，浙江 臺(tái)州318000）

電火花沉積技術(shù)是不同于傳統(tǒng)技術(shù)的一種工藝方法，經(jīng)電火花沉積工藝處理的金屬沉積層具有較高的硬度、耐磨性以及良好的耐高溫、耐腐蝕性能，具有節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在模具行業(yè)和汽車工業(yè)等制造領(lǐng)域，并且發(fā)揮著不可替代的作用。綜述了電火花沉積技術(shù)的基本原理和工藝特點(diǎn)，闡述了電火花沉積技術(shù)的發(fā)展概況及其優(yōu)化方案，指出了該技術(shù)今后的研究方向和發(fā)展趨勢(shì)。

電火花沉積；表面強(qiáng)化；表面改性；進(jìn)展

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)設(shè)備零件表面性能的要求越來(lái)越高，要求產(chǎn)品能在高溫、高壓、磨損、腐蝕等惡劣條件下長(zhǎng)期穩(wěn)定的工作。因此，表面強(qiáng)化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，運(yùn)用此種技術(shù)工藝能使得材料的表面性能發(fā)生變化，這種變化能使得材料的利用率大大提升，且不會(huì)對(duì)環(huán)境造成太大傷害。目前有以下幾種表面改性技術(shù)：電火花沉積、熔滲、電鍍、滲碳、熱噴涂等。在這些改性技術(shù)當(dāng)中，電火花表面改性是一種新工藝，它的工作原理可概括為：用電火花沉積設(shè)備儲(chǔ)存的高電能，使得電極材料與基體之間產(chǎn)生快速的放電火花。同時(shí)，電極材料被熔滲到基體表面，形成合金化的表面沉積層，從而使基體綜合性能得到很大提高[1]。因?yàn)榇斯に噷?duì)基體的熱輸入非常小，所以不會(huì)導(dǎo)致基體的變形，從而它在工業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

1 電火花沉積技術(shù)的原理與特點(diǎn)

電火花沉積技術(shù)的基本原理是把沉積電極與工件分別置于正極和負(fù)極，通過電源存儲(chǔ)的高能量電能，使電極與工件之間產(chǎn)生火花放電，在10-5～10-6s內(nèi)電極與工件接觸的部位可以達(dá)到8 000～25 000℃的高溫，同時(shí)電極材料被熔化、氣化或等離子化，從而熔滲到工件表面，構(gòu)成合金化的沉積層[2]。陳鐘燮[3]利用金相顯微鏡、X射線衍射儀、顯微硬度機(jī)等儀器對(duì)沉積層分析，結(jié)果顯示，沉積層是有沉積電極和基體材料組成的新表面層，它的厚度介于5～150 μm之間，硬度可達(dá)1 200 HV以上，具有良好的耐磨性和耐高溫性。

電火花沉積工藝可根據(jù)選擇不同的電極，使工件表面具有高耐磨、高硬度、抗氧化、導(dǎo)電、導(dǎo)熱等性能。因此，它廣泛應(yīng)用于工具、模具、航空航天、醫(yī)藥、汽車、軍工、電機(jī)電器等領(lǐng)域。與其它表面處理技術(shù)相比，電火花沉積工藝具有以下優(yōu)點(diǎn)[4-8]：

（1）所得涂層與基體呈冶金結(jié)合，不易發(fā)生脫落。

（2）能量輸入低，對(duì)基體不會(huì)造成熱變形及組織變化。

（3）此工藝在空氣中進(jìn)行，不需要特殊的設(shè)備，從而使生產(chǎn)成本大大降低。

（4）適用范圍廣，對(duì)具有不同形狀的零部件都可以進(jìn)行加工。

（5）沉積的涂層組織細(xì)密，一致性好。

（6）此工藝加工后所需后處理非常少，有時(shí)甚至不需要，從而提高其效率。

（7）它對(duì)環(huán)境污染少，節(jié)約能源。

2 電火花沉積技術(shù)的發(fā)展概況

2.1 電火花沉積設(shè)備的發(fā)展

在1944年，前蘇聯(lián)根據(jù)拉扎連科夫婦提出的沉積工藝制造出了世界上第一臺(tái)電火花穿孔機(jī)床。1950年，前蘇聯(lián)中央電氣科學(xué)研究所研制了yHP系列電火花沉積設(shè)備，同時(shí)也研制了HE系列電火花沉積設(shè)備[3]。1964年，前蘇聯(lián)摩爾達(dá)維亞科學(xué)院應(yīng)用物理研究所根據(jù)拉扎連科夫婦的沉積工藝?yán)碚撗兄瞥?H系列設(shè)備，并廣泛應(yīng)用于工業(yè)部門[5]。摩爾達(dá)維亞科學(xué)院應(yīng)用物理研究所的基希涅夫?qū)嶒?yàn)工廠在70年代生產(chǎn)了采用可控硅和晶體管的新型電火花沉積設(shè)備，這種設(shè)備對(duì)沉積層的質(zhì)量和手工操作性都大大提高。根據(jù)記載，在1978年到1979年間原蘇聯(lián)采用37臺(tái)此種沉積設(shè)備節(jié)約了約40萬(wàn)盧布[3]。

歐美國(guó)家是在20世紀(jì)50年代開始研究和使用此沉積工藝，且多用于模具零部件，日本則是20世紀(jì)60年代開始研究和運(yùn)用[3]。這些設(shè)備一般為功率在200W內(nèi)的手工操作設(shè)備。進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，日本的電火花沉積技術(shù)得到很大的發(fā)展[9]，他們研制的Sparkdepo沉積設(shè)備功率較大，能獲得較均勻的涂層，涂層厚度也增加了很多。

國(guó)內(nèi)電火花沉積技術(shù)的研究起步很早，在20世紀(jì)50年代便開始研究電火花沉積設(shè)備，由于受理論知識(shí)和當(dāng)時(shí)技術(shù)條件的原因，此技術(shù)未能大面積應(yīng)用。在1977年，蘇州電加工機(jī)床研究所研制出了D91系列沉積設(shè)備，此設(shè)備被大量地用在模具、量具和機(jī)械零件的沉積強(qiáng)化和表面修補(bǔ)，獲得了很好的經(jīng)濟(jì)效益[7]。在20世紀(jì)90年代，伴隨科學(xué)的進(jìn)步，這種強(qiáng)化技術(shù)有了深入的發(fā)展[9]。航空第一集團(tuán)下屬的西安慶安集團(tuán)有限公司研制出了ZS-116型號(hào)的電火花沉積設(shè)備[10]，此設(shè)備沉積特點(diǎn)是電流調(diào)節(jié)范圍大，可用于多種電火花沉積工藝。國(guó)內(nèi)一些高等院校和科研單位對(duì)沉積設(shè)備的研制做了大量的工作，研制了一系列新型電火花沉積設(shè)備，如清華大學(xué)等科研單位研制出了脈沖電火花沉積設(shè)備，由于此系列設(shè)備上設(shè)計(jì)了一套控制電路，所以能使放電能量大為提高，從而提高了沉積層的質(zhì)量和厚度，并且降低了表面粗糙度[11]。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制出了3H-ES系列電火花表面強(qiáng)化修復(fù)機(jī)高能電微弧脈沖冷焊加工設(shè)備[3]，其特點(diǎn)是熱影響小，工件不變形，沉積層與基體呈冶金結(jié)合，也可以在線進(jìn)行表面沉積和修復(fù)，從而大大節(jié)約了生產(chǎn)成本。

2.2 電火花沉積工藝的發(fā)展

電火花沉積層的性能主要由基體材料、電極材料、加工工藝和工藝參數(shù)等共同決定，其中加工工藝對(duì)電火花沉積層質(zhì)量、沉積層厚度和沉積層表面致密度等有顯著的影響。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，新的加工工藝不斷被研發(fā)出來(lái)[12]，其中以簡(jiǎn)單電極電火花加工、混粉加工、氣體中電火花加工以及微細(xì)電火花加工等新工藝最為引人注目。另外，為了能得到連續(xù)、致密的沉積層，S.Frangini研究出了一套新工藝[13]，此工藝是利用彈簧來(lái)控制電極所走的路徑，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)接觸力參數(shù)的動(dòng)態(tài)控制，從而得到了滿意的沉積層。譚業(yè)發(fā)[14]對(duì)沉積工藝的研究表明，在電火花沉積時(shí)通入適當(dāng)?shù)臍鍤猓鍤饬髁靠刂圃?L/min左右），可以有效防止沉積層被氧化和避免沉積層產(chǎn)生氣孔或裂紋等缺陷。為了得到更好的沉積層，可以使沉積工藝在特定的液體中進(jìn)行沉積。以煤油為沉積時(shí)的工作液，用Ti作為工作電極進(jìn)行電火花沉積加工，電極材料Ti與煤油中分解出的碳原子進(jìn)行反應(yīng)形成TiC，從而使沉積層的硬度大概是基體硬度的5倍以上[15]。另外，在Si油工作液中，用Al、Ti兩元素制作的電極在基體Al上進(jìn)行電火花沉積，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，硅油分解元素（C、Si）與電極所含元素進(jìn)行了化學(xué)反應(yīng)，生成了TiC-SiC等碳化物，這些碳化物對(duì)增加鋁基體的綜合力學(xué)性能具有顯著作用[16]。高玉新等人[17]以Cr12模具鋼作為基體，用WC-12Co做電極材料進(jìn)行沉積，結(jié)果顯示Cr12模具鋼表面獲得了高耐磨涂層。摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明，該涂層的耐磨性能是基體鋼的3.3倍。董仕節(jié)[18]以TiC作為沉積電極，將其沉積到點(diǎn)焊鍍鋅鋼板上。結(jié)果顯示，TiC陶瓷以其高熔點(diǎn)和高硬度的性能，能阻礙電極與鍍鋅板之間的合金化，因此將點(diǎn)焊鍍鋅鋼板的電極壽命提高了2.4倍。

3 電火花沉積技術(shù)的優(yōu)化

盡管電火花沉積技術(shù)存在很多的優(yōu)點(diǎn)，但也有它的不足之處。如沉積層厚度薄，沉積層表面有孔洞和裂紋，自動(dòng)化程度低等。利用電火花沉積技術(shù)與其它工藝相結(jié)合的方法，可有效降低電火花沉積技術(shù)所帶來(lái)的不利影響。

（1）電火花沉積技術(shù)與激光處理技術(shù)結(jié)合。這兩種技術(shù)的融合能使涂層顯微結(jié)構(gòu)得到改善，顯微硬度和耐腐蝕性得到很大提高。Norbert Radek[19]利用電火花沉積工藝把Cu-Mo涂層沉積到C45鋼表面，使用相關(guān)儀器測(cè)得平均顯微硬度為HV587，沉積涂層通過激光處理后測(cè)得平均顯微硬度為HV730，激光處理后的顯微硬度比處理前增加了20%，通過摩擦力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)測(cè)得，沉積涂層表面的摩擦力系數(shù)在激光處理后比處理前增加了大約54%.另外，這兩種工藝的結(jié)合使耐腐蝕性也得到了很大提高。

（2）電火花沉積技術(shù)與等離子電解沉積技術(shù)（PED）結(jié)合。電火花沉積技術(shù)與PED技術(shù)相結(jié)合，其最大特點(diǎn)是使用的沉積電壓較低。Shen Dejiu[20]等利用此技術(shù)把金屬陶瓷電極沉積在W9Mo5Cr4V2高速鋼上，研究發(fā)現(xiàn)，與單一的電火花沉積相比，在涂層生成過程中，由于電解沉積產(chǎn)生的活性碳原子和氮原子的作用，沉積層的厚度變的更大，沉積率、涂層硬度、耐磨性都得到了一定的提高。

（3）電火花沉積技術(shù)與噴丸工藝相結(jié)合。張曉化[21]等利用電火花沉積技術(shù)對(duì)Ti811合金表面進(jìn)行沉積，能夠使耐磨性得到增強(qiáng)，表面光潔度和硬度都得到了相應(yīng)的提高，但其高溫微動(dòng)疲勞壽命降低了很多。在沉積層形成以后再對(duì)其表面進(jìn)行噴丸處理，可使高溫微動(dòng)疲勞壽命恢復(fù)到基體的水平，并且經(jīng)過儀器測(cè)試可知其硬度和耐磨性與噴丸前相當(dāng)。

4 電火花沉積技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著工業(yè)的發(fā)展，對(duì)工具、模具等零部件及設(shè)備的性能和使用壽命要求越來(lái)越高，為了滿足新工藝新技術(shù)的要求，電火花沉積技術(shù)應(yīng)在以下幾個(gè)方面重點(diǎn)發(fā)展：

（1）研制新型電火花沉積設(shè)備。電火花沉積設(shè)備對(duì)加工生產(chǎn)效率、沉積層表面質(zhì)量、加工過程的穩(wěn)定性、沉積電極的損耗和沉積層性能等方面都有很大的影響。近些年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，沉積設(shè)備的研制有了一定的進(jìn)展，但不容樂觀，我國(guó)電火花強(qiáng)化技術(shù)所用的設(shè)備大多都是功率小，從而導(dǎo)致涂層質(zhì)量出現(xiàn)問題，鑒于此，今后努力的方向?yàn)橹圃齑蠊β省⒏咝?、自?dòng)化的設(shè)備儀器。

（2）深入研究電火花沉積技術(shù)的機(jī)理。由于該技術(shù)是綜合焊接、表面處理、氣相條件下的金屬合金化等特征于一體的工藝，所以就決定了研究這一工藝機(jī)理的復(fù)雜性。到目前為止，該工藝的放電機(jī)理還存在分歧。對(duì)于電火花表面強(qiáng)化的原理進(jìn)行深入研究有著重大的意義，例如可以使得工作效率大大增加、所得沉積層的質(zhì)量也會(huì)更好。

（3）研究新型電火花沉積介質(zhì)。介質(zhì)是電火花沉積中十分重要的一種媒介。它首先起到的就是介電作用，即有利于產(chǎn)生火花放電。此外，介質(zhì)的介電性越好越有利于沉積層的形成。工作介質(zhì)可以冷卻電極和基體，也可以冷卻放電結(jié)束后的放電通道，使受熱后的溫度迅速降低，以利于恢復(fù)極間的介電性能。由于工作介質(zhì)的重要性，所以應(yīng)加大研究低粘度、絕緣性好、對(duì)加工不污染、價(jià)格更便宜等新型介質(zhì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

電火花沉積技術(shù)仍然是處于高速發(fā)展中的一門新技術(shù)、新工藝，相比其它表面技術(shù)受到了廣泛的認(rèn)可和普遍的應(yīng)用，未來(lái)的發(fā)展?jié)摿薮蟆５泊嬖谥芏嗟膯栴}，例如電火花強(qiáng)化后的涂層厚度和質(zhì)量等指標(biāo)不能夠量化，從而對(duì)工業(yè)大量使用受到限制。伴隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對(duì)電火花強(qiáng)化原理的認(rèn)識(shí)會(huì)不斷加強(qiáng)，這一技術(shù)終將為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)作出新的貢獻(xiàn)。

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Research Status and Development Trend of Electro-spark Surface Deposition Technology

ZHANG Liu-wei，Shao Jun
（Taizhou Vocational College of Science and Technology，Taizhou Zhejiang 318000，China）

Electro-spark surface deposition is different from the traditional technology of a technological process.The sedimentary process of electric-spark metal river has high hardness，wear resistance and good resistance to high temperature，corrosion resistance，saving energy，saving material，environmental protection，and other characteristics.Widely used in the mold industry and automobile industry of manufacturing field，and plays an irreplaceable role.Summarized the basic principle of electric spark deposition technology and process characteristics，this paper expounds the general situation of electric-spark deposition and its optimization scheme，points out the direction of future research and technology development trend.

electro-spark；surface hardening；surface modification；development

A

1672-545X（2017）08-0076-04

2017-05-15

張留偉（1986-），男，浙江臺(tái)州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：金屬材料及表面工程。