李福海，代明江，陳興馳，鄧暢光，馬文有

廣東省新材料研究所，激光制造研究室，廣東 廣州 510650

電火花沉積技術(shù)(Electrical Discharge Deposition)也稱電火花表面改性/合金化技術(shù)(Electrical Discharge Surface Modification/Alloying，簡稱EDA)，是通過火花放電，把作為電極的導(dǎo)電材料熔滲進(jìn)金屬工件的表層，形成合金化的表面沉積層，使工件的物理化學(xué)和機(jī)械性能得到改善[1]．該技術(shù)的主要設(shè)備由振動器電源和振動器等構(gòu)成，振動器電源種類有振動電源和脈沖電源．振動電源負(fù)責(zé)給振動器供電，而振動器負(fù)責(zé)夾持電極作上下往復(fù)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；脈沖電源負(fù)責(zé)給電極和工件供電，使兩者之間產(chǎn)生電火花放電[2-3]．電火花沉積技術(shù)能在工件表面賦予硬度高、抗耐磨、抗腐蝕及熱硬性好的合金強(qiáng)化層[4]，同時還具有設(shè)備控制操作簡單、熱輸入量小、能對局部和復(fù)雜表面強(qiáng)化及電極材料選擇范圍廣、環(huán)保經(jīng)濟(jì)等優(yōu)勢[5-7]，可在航空航天、能源、軍事、核工業(yè)[8]、電力、機(jī)械工業(yè)、電子、汽車以及醫(yī)療等眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用．

H13模具鋼(4Cr5MoSiV1)是廣泛使用的熱作模具鋼，其具有較高的熱強(qiáng)度和硬度、高的耐磨性和韌性，以及較好的耐熱疲勞性能，廣泛應(yīng)用于制造各種鍛模、熱擠壓模，以及鋁、銅及其合金的壓鑄模具．工作時由于熱作模具鋼需承受很大的沖擊載荷、強(qiáng)烈的摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應(yīng)力及高溫氧化，因此常會出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨損和龜裂等．為了解決H13鋼耐磨性不足的問題，可通過電刷鍍、熱噴涂、激光熔覆、滲氮/碳等工藝對其表面進(jìn)行強(qiáng)化．這些工藝都各有優(yōu)勢和缺點(diǎn)：激光熔覆結(jié)合力高，但應(yīng)力大、工藝復(fù)雜；熱噴涂的結(jié)合力低，冷噴涂結(jié)合力高但設(shè)備系統(tǒng)龐大、柔性差；電刷鍍工藝過程隨著鍍液的變化而變化，工藝復(fù)雜，廢鍍液的處理對環(huán)境污染很大．目前，針對局部小面積處理尚沒有便利、有效的工藝，因此本研究采用電火花沉積工藝在H13模具鋼表面制備硬質(zhì)合金層，同時從工藝優(yōu)化及沉積層性能方面研究探索電火花強(qiáng)化H13鋼合金層的變化規(guī)律．

1 試驗材料及方法

1.1 材 料

H13模具鋼的組成成分列于表1．電極材料為部分燒結(jié)硬質(zhì)合金，其直徑為3～5 mm，主要成分為WC和Co，其組織微觀形貌如圖1所示．從圖1可以看出，不規(guī)則的WC顆粒分布于Co基體中，WC顆粒尺寸為1～10 μm，通過圖像法測量WC含量超過90%．

表1 H13鋼的元素含量Table 1 Element contents of H13

圖1 部分燒結(jié)電極的組織微觀形貌Fig.1 Microstructure of partially sintered electrodes

1.2 方 法

電火花沉積采用新型DZS-1400電火花沉積設(shè)備．電火花沉積時用氬氣作為保護(hù)氣體，氬氣流量設(shè)定為7 L/min，電極的伸出長度固定為3 mm，當(dāng)電極燒損約為2 mm時需調(diào)整電極長度至初始值的3 mm，試驗過程中手動/自動控制電火花槍的移動速度．

工藝參數(shù)研究的主要目的，是提出一系列適合不同材料沉積在不同基體表面的優(yōu)化參數(shù)．工藝參數(shù)優(yōu)化常用的方法是試驗設(shè)計，即先按定義好的一定因素水平的試驗矩陣進(jìn)行試驗，然后得出優(yōu)化的工藝參數(shù)，最后用優(yōu)化的沉積工藝參數(shù)進(jìn)行試件測試．影響EDA/C沉積層質(zhì)量的工藝參數(shù)包括：電源參數(shù)(電壓、電流、電容、感應(yīng)系數(shù)、放電頻率、脈沖周期)、電極條件(成分、密度、幾何形狀、旋轉(zhuǎn)速度、平移速度、方向和接觸力)、環(huán)境(保護(hù)氣的成分、流量、溫度)及基體(材料、表面光潔度、表面精度溫度和幾何形狀)等[9]．為了簡化試驗過程，將試驗參數(shù)分為固定參數(shù)和可變參數(shù)．固定參數(shù)是根據(jù)設(shè)備的最佳參數(shù)運(yùn)行范圍及試驗經(jīng)驗積累而來的，而試驗的可變參數(shù)是對試驗過程影響較大的參數(shù)，在眾多可變參數(shù)中脈沖持續(xù)時間、電流及極性對電火花的形成影響最大．表2列出了固定參數(shù)及可變參數(shù)．

表2 試驗的固定參數(shù)及可變參數(shù)Table 2 Test fixed parameters and variable parameters

本研究重點(diǎn)考察對沉積過程影響較大的參數(shù)，在參數(shù)許可的變化范圍內(nèi)，依據(jù)不同的參數(shù)組合設(shè)計出具體的試驗組，其安排列于表3．由表3可知，在每一種極性之下，分別組合固定參數(shù)和可變參數(shù)，形成具體的試驗參數(shù)數(shù)據(jù)．

據(jù)試驗組安排表進(jìn)行分組試驗，隨后將獲得的電火花沉積層進(jìn)行金相試樣分析．用Leica DMIRM型光學(xué)顯微鏡(OM)和JSM-5910型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析金相試樣的沉積層的顯微組織；用XHD-1000型顯微硬度計測定沉積層的顯微硬度，載荷200 g、加載時間15 s，測量5組數(shù)據(jù)取平均值；用自改造的Alicona Infinite測量儀，測試電火花沉積層表面的形貌特征；用自制熱疲勞試驗機(jī)，測試熱疲勞性能；用MMW-1A型銷盤摩擦磨損試驗機(jī)，測試沉積層磨損性能．

表3 負(fù)極性和正極性試驗組安排表Table 3 Arrangement of the negative and positive experiments

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 電極極性的影響

為了研究電極極性對電火花工藝過程的影響規(guī)律，首先利用保持電極與基體沒有相對運(yùn)動的靜態(tài)試驗進(jìn)行了分組研究，結(jié)果如圖2所示．從圖2可以看出：在正極性條件下，基體材料表面被腐蝕呈明顯的凹坑，表現(xiàn)為基體材料的去除，表明在H13鋼基體上基本不能形成沉積層；而在負(fù)極性條件下，基體材料表面沒有明顯的凹坑，表明在H13鋼表面形成了不同于基體和電極的沉積層，因此表現(xiàn)為材料的累積．這是因為負(fù)極性加工時, 電極分配的能量是基體的兩倍，基體和電極二者同時在電火花脈沖中熔化，也同時在脈沖間隙中凝固．試驗初始，電極的熔化速率高于基體,因此表現(xiàn)為電極材料在基體上的沉積，沉積層的構(gòu)成成分為電極與基體的混合物[10]；隨著試驗的進(jìn)行，元素C與W，Co和Fe等合金元素發(fā)生了復(fù)雜的物理化學(xué)冶金反應(yīng)，在工件表面形成了硬度很高的白亮層，此后隨著沉積層的增厚，沉積層與電極之間的構(gòu)成成分逐漸接近，最終形成熔化與沉積的平衡，至此白亮層成分和厚度不再發(fā)生變化，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)．

圖2 電極極性對電火花過程的影響(a)負(fù)極性(-)；(b)正極性(+)Fig.2 Influence of electrode polarity on the EDD process(a)negative；(b)positive

2.2 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

在正負(fù)兩種極性條件下，測量了18組參數(shù)下電火花加工表面的粗糙度，變化規(guī)律如圖3所示．從圖3可以看出：在負(fù)極性下加工表面粗糙度明顯低于正極性的；隨著參數(shù)變化，無論是在正極性下還是在負(fù)極性下，加工表面的粗糙度都有增大的趨勢；在影響因素中，脈沖電流影響較大，脈沖時間影響次之．

圖3 工藝參數(shù)對電火花加工表面粗糙度的影響 Fig.3 Influence of parameters on the surface roughness of EDD

圖4是典型電火花處理后的表面結(jié)構(gòu)特征．從圖4(a)可以看出，負(fù)極性的表面上呈現(xiàn)出圓盤形的表面光滑平整的液滴狀沉積物，其沉積在基體表面或彼此疊加．從圖4(b)可以看出，正極性的表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的巖漿狀區(qū)域，巖漿的表面凹凸不平，有明顯的凹坑和凸起，這正是造成負(fù)極性比正極性粗糙度低的原因[11]．

2.3 沉積層分析

為獲得一定厚度的電火花沉積層，同時為了改善表面狀態(tài)，減少裂紋，采用工件與電極相對移動，通過連續(xù)負(fù)極性電火花處理，使工件表面形成高硬度的白亮層．為了獲得更好質(zhì)量的白亮層，處理過程中應(yīng)減小單個脈沖放電能量，為了使單個脈沖放電更均勻，選擇較小的電流7 A，保持脈沖持續(xù)時間15 μs不變，同時電火花處理時間從15 min增加至2 h，以獲得連續(xù)、有一定厚度的沉積層．

圖4 電火花沉積層表面微觀特征Fig.4 Characteristic micro-surface of EDC deposites

2.3.1 沉積層結(jié)構(gòu)

H13鋼的表面經(jīng)過電火花沉積部分燒結(jié)電極硬質(zhì)合金后，形成了如圖5所示的電火花沉積層．從圖5可見，沉積層由表及里分別為白亮層、過渡層和熱影響區(qū)，再往里是鋼材的原始基體組織.白亮層為表面的最外層，其抗腐蝕性好，該層的組織結(jié)構(gòu)及成分取決于電極和工件的材料[12]；與白亮層靠近的是過渡層，它是由電極材料中的一些組成元素熔滲擴(kuò)散到基體金屬材料中后被迅速淬火而形成的，從金相組織照片上看過渡層發(fā)黑，主要是因為高溫下冷卻析出的細(xì)小碳化物附在細(xì)化的馬氏體組織上面，經(jīng)腐蝕后變黑；熱影響區(qū)主要是受電火花放電的高溫作用，從而使這層鋼材的原始組織受到不同程度的影響，經(jīng)腐蝕后該區(qū)的顏色由深過渡到淺，說明受熱溫度不一樣，其主要組織為回火馬氏體．從圖5還可見，熱影響區(qū)范圍比較大且其馬氏體組織粗大，主要是因為沉積時間長、受熱時間長，造成馬氏體組織長大，其組織由大到小，說明受熱溫度也不一樣．

圖5 電火花沉積層結(jié)構(gòu)1-合金層；2-熱影響區(qū)；3-基體Fig.5 Structure of EDD layer1-alloy layer；2-HAZ；3-substrate

2.3.2 沉積層成分分析

電火花沉積后對單獨(dú)的液滴區(qū)域(方框部分)進(jìn)行元素分析，如圖6所示．從圖6可見，沉積層中含有H13和部分燒結(jié)電極的元素成分．這是因為電火花沉積層的成分不僅與電極和基體的材料有關(guān)，而且與沉積工藝參數(shù)有關(guān)，在電火花處理過程中電極和基體的各種元素發(fā)生相互擴(kuò)散，主要表現(xiàn)為基體材料中的Fe，Cr，Mn和V元素向表層擴(kuò)散，而電極材料中的W元素向基體擴(kuò)散，這就造成白亮層內(nèi)W和C元素含量較高，以及在白亮層內(nèi)還含有一定量的 Co元素．由此可知，電火花沉積過程不是簡單的涂鍍過程，而是組成電極和工件材料中諸元素的原子在電火花沉積過程中發(fā)生劇烈的擴(kuò)散和重新合金化的過程[13]．電火花沉積層的組織結(jié)構(gòu)除了跟電極和工件材料有關(guān)外，還與設(shè)備功率及沉積工藝的不同也有差別．

圖6 電火花沉積層成分分布Fig.6 Element distribution of EDD coating

2.3.3 沉積層的硬度

測試了沉積層的硬度，結(jié)果如圖7所示．從圖7可見，沉積層的硬度隨著距表面的距離增大而逐漸降低，硬度最高可達(dá)1330 Hv．這也驗證了電火花沉積層不是簡單地涂覆在基體上，而是電極和基體元素在沉積層中分布是逐漸過渡的，具有梯度性的．這主要是由于基體材料中含有大量的C和W元素，它們的整體硬度要遠(yuǎn)高于基體材料，而在電火花沉積過程中基體材料與電極材料發(fā)生了相互間的擴(kuò)散熔滲，使得形成的沉積層中C元素含量上升，從而提高了沉積層的硬度．

圖7 電火花沉積層硬度分布圖Fig.7 Hardness distribution of EDD layer

3 結(jié) 論

(1)H13鋼經(jīng)電火花沉積后，最表面一層為白亮層，其次為過渡層，內(nèi)層是熱影響區(qū)，再往里是鋼材的原始組織．

(2)電火花沉積白亮層的元素含量與沉積工藝有一定的關(guān)系．白亮層物相由復(fù)雜的化合物構(gòu)成，是因電火花沉積的電極和工件材料在高溫下發(fā)生了一系列復(fù)雜的物理化學(xué)的冶金反應(yīng)，電極和工件中的元素互相熔滲、擴(kuò)散和重新合金化．

(3)沉積層的硬度超過1300 Hv，具有一定的工程應(yīng)用前景．

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