張留偉，邵 俊

（臺州科技職業(yè)學院，浙江 臺州318000）

專論綜述

電火花沉積技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

張留偉，邵 俊

（臺州科技職業(yè)學院，浙江 臺州318000）

電火花沉積技術是不同于傳統(tǒng)技術的一種工藝方法，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，被廣泛應用在模具行業(yè)和汽車工業(yè)等制造領域，并且發(fā)揮著不可替代的作用。綜述了電火花沉積技術的基本原理和工藝特點，闡述了電火花沉積技術的發(fā)展概況及其優(yōu)化方案，指出了該技術今后的研究方向和發(fā)展趨勢。

電火花沉積；表面強化；表面改性；進展

隨著社會經(jīng)濟和科學技術的不斷發(fā)展，對設備零件表面性能的要求越來越高，要求產(chǎn)品能在高溫、高壓、磨損、腐蝕等惡劣條件下長期穩(wěn)定的工作。因此，表面強化技術應運而生，運用此種技術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，且不會對環(huán)境造成太大傷害。目前有以下幾種表面改性技術：電火花沉積、熔滲、電鍍、滲碳、熱噴涂等。在這些改性技術當中，電火花表面改性是一種新工藝，它的工作原理可概括為：用電火花沉積設備儲存的高電能，使得電極材料與基體之間產(chǎn)生快速的放電火花。同時，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]。因為此工藝對基體的熱輸入非常小，所以不會導致基體的變形，從而它在工業(yè)中的應用日益廣泛。

1 電火花沉積技術的原理與特點

電火花沉積技術的基本原理是把沉積電極與工件分別置于正極和負極，通過電源存儲的高能量電能，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到8 000～25 000℃的高溫，同時電極材料被熔化、氣化或等離子化，從而熔滲到工件表面，構成合金化的沉積層[2]。陳鐘燮[3]利用金相顯微鏡、X射線衍射儀、顯微硬度機等儀器對沉積層分析，結果顯示，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、導電、導熱等性能。因此，它廣泛應用于工具、模具、航空航天、醫(yī)藥、汽車、軍工、電機電器等領域。與其它表面處理技術相比，電火花沉積工藝具有以下優(yōu)點[4-8]：

（1）所得涂層與基體呈冶金結合，不易發(fā)生脫落。

（2）能量輸入低，對基體不會造成熱變形及組織變化。

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

（4）適用范圍廣，對具有不同形狀的零部件都可以進行加工。

（5）沉積的涂層組織細密，一致性好。

（6）此工藝加工后所需后處理非常少，有時甚至不需要，從而提高其效率。

（7）它對環(huán)境污染少，節(jié)約能源。

2 電火花沉積技術的發(fā)展概況

2.1 電火花沉積設備的發(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電火花穿孔機床。1950年，前蘇聯(lián)中央電氣科學研究所研制了yHP系列電火花沉積設備，同時也研制了HE系列電火花沉積設備[3]。1964年，前蘇聯(lián)摩爾達維亞科學院應用物理研究所根據(jù)拉扎連科夫婦的沉積工藝理論研制出3H系列設備，并廣泛應用于工業(yè)部門[5]。摩爾達維亞科學院應用物理研究所的基希涅夫?qū)嶒灩S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備，這種設備對沉積層的質(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臺此種沉積設備節(jié)約了約40萬盧布[3]。

歐美國家是在20世紀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60年代開始研究和運用[3]。這些設備一般為功率在200W內(nèi)的手工操作設備。進入20世紀90年代后，日本的電火花沉積技術得到很大的發(fā)展[9]，他們研制的Sparkdepo沉積設備功率較大，能獲得較均勻的涂層，涂層厚度也增加了很多。

國內(nèi)電火花沉積技術的研究起步很早，在20世紀50年代便開始研究電火花沉積設備，由于受理論知識和當時技術條件的原因，此技術未能大面積應用。在1977年，蘇州電加工機床研究所研制出了D91系列沉積設備，此設備被大量地用在模具、量具和機械零件的沉積強化和表面修補，獲得了很好的經(jīng)濟效益[7]。在20世紀90年代，伴隨科學的進步，這種強化技術有了深入的發(fā)展[9]。航空第一集團下屬的西安慶安集團有限公司研制出了ZS-116型號的電火花沉積設備[10]，此設備沉積特點是電流調(diào)節(jié)范圍大，可用于多種電火花沉積工藝。國內(nèi)一些高等院校和科研單位對沉積設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備，如清華大學等科研單位研制出了脈沖電火花沉積設備，由于此系列設備上設計了一套控制電路，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]。中國科學院金屬研究所研制出了3H-ES系列電火花表面強化修復機高能電微弧脈沖冷焊加工設備[3]，其特點是熱影響小，工件不變形，沉積層與基體呈冶金結合，也可以在線進行表面沉積和修復，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。隨著科學技術的發(fā)展，新的加工工藝不斷被研發(fā)出來[12]，其中以簡單電極電火花加工、混粉加工、氣體中電火花加工以及微細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控制電極所走的路徑，進而實現(xiàn)接觸力參數(shù)的動態(tài)控制，從而得到了滿意的沉積層。譚業(yè)發(fā)[14]對沉積工藝的研究表明，在電火花沉積時通入適當?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行沉積。以煤油為沉積時的工作液，用Ti作為工作電極進行電火花沉積加工，電極材料Ti與煤油中分解出的碳原子進行反應形成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上進行電火花沉積，實驗結果表明，硅油分解元素（C、Si）與電極所含元素進行了化學反應，生成了TiC-SiC等碳化物，這些碳化物對增加鋁基體的綜合力學性能具有顯著作用[16]。高玉新等人[17]以Cr12模具鋼作為基體，用WC-12Co做電極材料進行沉積，結果顯示Cr12模具鋼表面獲得了高耐磨涂層。摩擦磨損實驗表明，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，將其沉積到點焊鍍鋅鋼板上。結果顯示，TiC陶瓷以其高熔點和高硬度的性能，能阻礙電極與鍍鋅板之間的合金化，因此將點焊鍍鋅鋼板的電極壽命提高了2.4倍。

3 電火花沉積技術的優(yōu)化

盡管電火花沉積技術存在很多的優(yōu)點，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，自動化程度低等。利用電火花沉積技術與其它工藝相結合的方法，可有效降低電火花沉積技術所帶來的不利影響。

（1）電火花沉積技術與激光處理技術結合。這兩種技術的融合能使涂層顯微結構得到改善，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，使用相關儀器測得平均顯微硬度為HV587，沉積涂層通過激光處理后測得平均顯微硬度為HV730，激光處理后的顯微硬度比處理前增加了20%，通過摩擦力學性能實驗測得，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，這兩種工藝的結合使耐腐蝕性也得到了很大提高。

（2）電火花沉積技術與等離子電解沉積技術（PED）結合。電火花沉積技術與PED技術相結合，其最大特點是使用的沉積電壓較低。Shen Dejiu[20]等利用此技術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）電火花沉積技術與噴丸工藝相結合。張曉化[21]等利用電火花沉積技術對Ti811合金表面進行沉積，能夠使耐磨性得到增強，表面光潔度和硬度都得到了相應的提高，但其高溫微動疲勞壽命降低了很多。在沉積層形成以后再對其表面進行噴丸處理，可使高溫微動疲勞壽命恢復到基體的水平，并且經(jīng)過儀器測試可知其硬度和耐磨性與噴丸前相當。

4 電火花沉積技術的發(fā)展趨勢

隨著工業(yè)的發(fā)展，對工具、模具等零部件及設備的性能和使用壽命要求越來越高，為了滿足新工藝新技術的要求，電火花沉積技術應在以下幾個方面重點發(fā)展：

（1）研制新型電火花沉積設備。電火花沉積設備對加工生產(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，隨著科學技術的發(fā)展，沉積設備的研制有了一定的進展，但不容樂觀，我國電火花強化技術所用的設備大多都是功率小，從而導致涂層質(zhì)量出現(xiàn)問題，鑒于此，今后努力的方向為制造大功率、高效率、自動化的設備儀器。

（2）深入研究電火花沉積技術的機理。由于該技術是綜合焊接、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理的復雜性。到目前為止，該工藝的放電機理還存在分歧。對于電火花表面強化的原理進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，也可以冷卻放電結束后的放電通道，使受熱后的溫度迅速降低，以利于恢復極間的介電性能。由于工作介質(zhì)的重要性，所以應加大研究低粘度、絕緣性好、對加工不污染、價格更便宜等新型介質(zhì)。

5 結束語

電火花沉積技術仍然是處于高速發(fā)展中的一門新技術、新工藝，相比其它表面技術受到了廣泛的認可和普遍的應用，未來的發(fā)展?jié)摿薮?。但也存在著很多的問題，例如電火花強化后的涂層厚度和質(zhì)量等指標不能夠量化，從而對工業(yè)大量使用受到限制。伴隨著科技的不斷進步，人們對電火花強化原理的認識會不斷加強，這一技術終將為我國的現(xiàn)代化建設作出新的貢獻。

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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，浙江臺州人，碩士研究生，講師，主要研究方向：金屬材料及表面工程。