李福海 代明江 陳興馳 馬文有

摘 要：電火花沉積技術，節(jié)能、省材、環(huán)保，應用廣泛。文章介紹了電火花沉積技術的特點、放電機理，分析了其應用現(xiàn)狀，并提出相關建議以供參考。

關鍵詞：電火花；電火花涂層；壓鑄模具；熱疲勞

中圖分類號：V261.6+1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）12-0181-02

Abstract： EDM deposition technology is known for energy saving， material saving， environmental protection， and wide use. In this paper， the characteristics and discharge mechanism of EDM are introduced， its application status is analyzed， and some suggestions are put forward for reference.

Keywords： EDM； EDM coating； die casting die； thermal fatigue

電火花加工是一種常規(guī)的材料去除手段，在模具領域得到廣泛地應用；電火花表面涂層技術是在電火花加工基礎上發(fā)展起來的增材制造方法，在可在模具表面形成預防保護的涂層和堆焊修復工具和模具，具有一定的應用前景。本文從技術基礎及應用前景方面著重介紹電火花涂層的制造特點及在精密模具領域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 電火花涂層技術的特點

電火花涂層是利用金屬電極在金屬工件表面做相對運動，在工件和電極的微區(qū)上產生微電弧，電弧同時熔化工件和電極形成金屬熔滴，隨后金屬熔滴凝固在材料表面形成涂層，該涂層與結合面形成冶金結合。由于電極和基體的熔化程度受電極極性和工藝參數的程度很大，導致形成的涂層成分和性能千差萬別，當負極性連接時（工件接負），電極的熔化程度遠高于基體，電極成分進入涂層的比例大幅度增加，因此涂層主要表現(xiàn)為電極的成分和性能，當電極選用特種材料電極時，處理的工件就同時具有了電極材料的性能。如，高硬度、高耐磨性、高疲勞強度、高耐腐蝕性和抗氧化、耐高溫、耐燒蝕等性能，因此電火花涂層技術能夠應用在工模具、刃具、軍工、汽車、礦山、冶金等行業(yè)，尤其適用于精密零部件的表面強化和局部的增材制造。因為相比于其它常用的表面技術，電火花涂層的工藝具有如下的優(yōu)勢：

（1）電火花涂層的能量輸入低，基體溫升很小，涂層的熱影響區(qū)小、工件變形極小（不變形），對基體的性能沒有影響。

（2）涂層的凝固過程極快，金屬熔滴質量很小，在極短的時間內冷卻，熔滴的熱量迅速被（熱沉無限大的）工件擴散，熱量不會集中在工件的處理部分，能夠實現(xiàn)真正意義的冷焊。

（3）與基體冶金結合強度高，因為涂層是電極和熔滴熔化再凝固的混合物，因此實現(xiàn)了微區(qū)上的冶金結合，基本達到焊接的結合程度，遠高于電鍍和熱噴涂等工藝的化學結合與機械結合。

（4）涂層是材料微區(qū)連續(xù)熔化和凝固形成的，組織細密、均勻、一致性高。

（5）工藝容錯率高，對前處理和后處理的要求低，僅需簡單少量的處理，有時甚至不需要處理，直接可以進行。

（6）主體設備簡單，操作簡單，尤其適于大型工件或在線設備的現(xiàn)場不拆解加工。

（7）電極選擇范圍非常廣泛，凡是能導電、可熔化的金屬（黑色及有色）、陶瓷（金屬陶瓷）、復合材料（金屬基、纖維基）材料都可以作為電極，形成涂層。

（8）其它優(yōu)點：設備簡單、成分低廉，容易自動化，環(huán)境友好，容易大范圍推廣應用。

2 電火花涂層的形成原理

學者們在探索電火花涂層的形成機理時，已經形成了比較統(tǒng)一的認識。這就是在電極和基體的接觸過程中，電極與基體間形成了電火花放電現(xiàn)象（微電?。娀〉拇嬖谕瑫r熔化電極和基體，形成液態(tài)熔滴，熔滴過渡沉積在接觸點上，由于電容放電的脈沖是間斷行為，因此導致熔滴產生的間斷效果，呈現(xiàn)密集轟擊和扁平化涂層區(qū)域，先形成的涂層隨后又參加后續(xù)的熔滴形成和冷卻過程，保持電火花過程的連續(xù)不斷。在正極性連接時，由于基體熔化程度強于電極，因此宏觀表現(xiàn)為基體材料的去除，在負極性連接時，電極熔化程度強于基體，因此宏觀上表現(xiàn)為電極在基體上的沉積，因此需要形成電火花涂層時，都采用負極性連接，同時為了使電極在電弧下容易熔化，會降低電極的耐電刻蝕性能。

目前，關于電火花涂層的放電形成機理的研究仍在繼續(xù)。

3 電火花涂層的工藝參數控制和優(yōu)化

影響電火花涂層的最關鍵因素是設備特性和工藝過程，沉積效率和涂層質量是參數控制和優(yōu)化的最主要考核指標。經過大量系統(tǒng)研究，影響電火花涂層的工藝參數主要可以分為以下幾個方面：（1）電極種類及其運動方式。包括電極材料種類（常用有黑色金屬Fe、Co、Ni，有色金屬Cu、Al，合金）、制造工藝（機械加工、粉末冶金、3D打?。?、外形（圓形、特制形狀）、運動速度、持續(xù)時間、往復次數等。（2）基體材料。材料（純金屬、各種合金、復合材料WC-Co等）、表面狀態(tài)（一定粗糙度）、外形和尺寸、處理溫度。（3）電火花設備電源特性。電火花單脈沖能量、脈沖頻率、開路電壓、電容、電火花持續(xù)時間、感應系數等。（4）電火花放電的環(huán)境。包括輔助氣體成分、流體特性、氣體流量大小及保護方式。（5）輔助添加介質?？鼓ァ⒛透?、修改或改性等不同場合使用的沉積材料。

4 電火花沉積層性能

研究表明，合適的電火花設備和電極材料可獲得各種性能的涂層，可滿足對表面涂層性能的不同要求。但涂層沒法達到與電極材料或基體材料完全相同的結構和性能。

涂層質量和穩(wěn)定性受涂層應力影響。有學者采用有限元模擬軟件ANSYS對電火花涂層的溫度場、應力場進行模擬，計算結果與實測結果接近。

5 電火花沉積層在模具領域的應用

（1）應用于：模具強化及零件微量磨損的修復。某模具廠的小型鋁合金壓鑄模具，采用H13鋼制造，采用直徑3mmH13作電極進行電火花表面修復，再經表面研磨處理，修復層的硬度達到HRC50，沒有裂紋產生，維修過程極為簡便，時間縮短1倍，大大增加了經濟效率。

（2）應用于：銅合金精密部件和各種模具的型腔表面強化及零件微量磨損的修復。某報廢液壓油泵采用Al青銅制造、選用Zn黃銅合金做電極對此部件進行電火花表面修復，修復后缺損處平均硬度值為HV150左右，完全能承受液態(tài)高壓流體的沖擊疲勞應力的作用，效果良好。

某單位與伯明翰大學合作在H13基體上制作了電火花強化WC層，電火花涂層由明顯的液態(tài)熔滴凝固堆積而成，電極極性、脈沖電流、脈沖持續(xù)時間等關鍵參數嚴重影響著沉積層的結構和性能；涂層的截面組織中有明顯的WC白亮層，結構致密，與基體結合緊密，其硬度達到Hv1300以上，比基體硬度提高兩倍以上，具有更好的耐磨性能，在模具行業(yè)具有極好的應用前景。

6 結束語

隨著電火花設備和工藝技術的不斷發(fā)展和人們對電火花放電過程的深刻認識，電火花表面涂層技術將會得到更進一步的成熟和發(fā)展，將會在材料表面強化和零部件修復中發(fā)揮更加重要的作用，因此該技術具有廣闊的發(fā)展前景和應用價值。

參考文獻：

[1]李慕勤，李俊剛，呂迎，等.電火花表面強化[J].材料表面工程技術，2010，08：218-219.

[2]金國，盧冰文，侯丁丁，et al. Influence of rare earths addition on residual stress of Fe-based coating prepared by brush plating technology[J].稀土學報（英文版），2016，34（3）：336-340.

[3]王海波，張世榮，于敦波，et al. Surface modification of （Tb，Dy）Fe2 alloy by nitrogen ion implantation[J].稀土學報（英文版），2011，29（9）：878-882.

[4]張輝.反應電火花制備TiN沉積層工藝研究[D].河北農業(yè)大學，2009.

[5]李金龍，張健.Cu上電火花沉積WC的試驗研究[J].沈陽理工大學學報，2005，24（4）：49-51.

[6]張瑞珠，郭鵬，王建升，等.鑄鋼0Cr13Ni5Mo表面電火花沉積YG8涂層的組織和性能[J].中國有色金屬學報，2012，12.

[7]Hao J J， Gao L， Yang S H， et al. Study on TiCN/Ti Based Composite Coating Fabricated by Reactive Electric Spark Deposition[J]. Applied Mechanics & Materials， 2012：190-191，567-570.