Cr12MoV鋼電火花沉積工藝研究

郭曉霞

（深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 深圳 518055）

表面強(qiáng)化是提高零件表面性能的重要方法之一，如，碳素工具鋼或低合金工具鋼經(jīng)表面強(qiáng)化后，可達(dá)到或超過(guò)高合金材料的性能指標(biāo)．表面強(qiáng)化的方法有多種，在生產(chǎn)中常用的有熱噴涂和電鍍．熱噴涂時(shí)，材料與基體的結(jié)合以機(jī)械結(jié)合為主．電鍍應(yīng)用中典型的有電鍍鉻，盡管該工藝非常經(jīng)濟(jì)，但由于環(huán)境污染的問題，其應(yīng)用受到限制．最近幾年，一種新的靈活的、抗破壞性強(qiáng)的電火花沉積工藝不斷受到人們的重視．電火花沉積工藝能真正實(shí)現(xiàn)涂層與基體的冶金結(jié)合，同時(shí)還可以使基體的溫度保持在室溫，這既可以防止基體金屬熱變形，也防止已經(jīng)過(guò)熱處理的金屬基體發(fā)生冶金變化．電火花沉積可以在多種工程零件表面涂敷以產(chǎn)生涂層，幾乎任何導(dǎo)電的有一定熔點(diǎn)的金屬陶瓷或金屬電極，都可以涂敷到基體表面，并與電極有相同的材料特性，另外，電火花沉積還可以用于零件的修復(fù)，尤其是對(duì)于修復(fù)那些生產(chǎn)周期長(zhǎng)或不再生產(chǎn)的零件是非常有效的．目前，電火花沉積技術(shù)已經(jīng)成功地應(yīng)用于零件的修復(fù)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)該技術(shù)的機(jī)理、設(shè)備、工藝參數(shù)、沉積材料等做了大量的研究[1-9]．

本文以Cr12MoV為基體材料，研究電火花沉積層的工藝，以及影響沉積層質(zhì)量的因素．

1 電火花沉積原理

電火花沉積是一種微弧焊接工藝，可以沉積合金或金屬陶瓷到任何導(dǎo)電的材料上．

電火花沉積設(shè)備示意圖如圖1所示．在電火花沉積時(shí)，電源向電容器充電，電極高速旋轉(zhuǎn)，電極向工件運(yùn)動(dòng)且接近工件，其間空氣電離，形成放電通道，在放電微小區(qū)域內(nèi)形成8000~25000℃的高溫，使電極材料熔化并以等離子狀態(tài)沉積到工件表面，同時(shí)放電區(qū)域的材料也熔化，且向四周濺射，此時(shí)，電極繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，使電極和工件上熔化了的材料擠壓在一起，由于空氣介質(zhì)和金屬工件基體的冷卻作用，熔融的材料被迅速冷卻而凝固，成為工件表面上的沉積點(diǎn)．當(dāng)電極離開工件，放電過(guò)程結(jié)束，電源重新對(duì)電容器放電，這就是電火花沉積設(shè)備的一次充放電的過(guò)程．重復(fù)這個(gè)充放電過(guò)程并移動(dòng)電極的位置，沉積點(diǎn)就相互重疊和融合，在工件表面形成一層沉積層[2]．

圖1 電火花沉積設(shè)備示意圖

2 試驗(yàn)材料及設(shè)備

實(shí)驗(yàn)材料為Cr12MoV，又稱SKD11，是廣泛使用的模具鋼材料，且是冷、熱作蒹用模具鋼．Cr12MoV有高的淬透性，熱處理后有高的硬度、耐磨性和抗壓特性，常用來(lái)制造大截面、重負(fù)荷、形狀復(fù)雜的沖裁模．這類模具的失效形式主要有刃口部位的磨損和崩裂．

電極為圓柱形，直徑為2.4 mm，其成分見表1．

表1 電極的成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

試驗(yàn)設(shè)備為放電式修復(fù)機(jī)Microdepo150．ESD設(shè)備包括2部分：電容器放電的脈沖電源和裝有可接地電纜的焊槍．沉積時(shí)，電極安裝在焊槍上，如圖2所示．

圖2 電火花沉積

3 測(cè)試缺陷準(zhǔn)備及修復(fù)

電火花沉積工藝可以用于對(duì)模具表面的缺陷進(jìn)行修復(fù)．模具在使用過(guò)程中常出現(xiàn)的缺陷包括磨損（或劃痕）缺陷和腐蝕點(diǎn)．為了證明工藝的修復(fù)能力，必須定義一定的用于測(cè)試的缺陷．根據(jù)常見缺陷的形狀，定義了下述2種形式的缺陷．

圖3 測(cè)試件

試件的規(guī)格（長(zhǎng)寬高）：35 mm×30 mm×12mm．類型1缺陷是點(diǎn)缺陷，是用f12球頭刀加工出來(lái)的，見圖3的部位1，缺陷1設(shè)計(jì)的目的主要測(cè)試零件腐蝕點(diǎn)的修復(fù)．類型2缺陷是長(zhǎng)條型的槽，用f12mm球頭刀加工，槽長(zhǎng)15mm，深0.15mm，見圖3的部位2，缺陷2設(shè)計(jì)的目的主要測(cè)試一些劃痕類的磨損缺陷．

由于模具在使用過(guò)程中表面有油污或或氧化物，所以在對(duì)模具修復(fù)前必須對(duì)試樣表面進(jìn)行預(yù)處理．先用細(xì)銼輕輕銼去試樣表面的氧化皮，再用砂紙砂磨試樣表面，使試樣沉積表面露出干凈的金屬，最后用丙酮清洗試樣和電極表面的油脂．然后把被沉積的工件裝夾在虎口鉗上，手持裝有電極的焊槍在工件表面進(jìn)行沉積修復(fù)．在修復(fù)時(shí)，涂層的修復(fù)厚度大約比缺陷深度大0.1mm，修復(fù)完后再打磨平．圖3中的部位3是沉積后未打磨的表面狀態(tài)，4和5部位分別為2種缺陷修復(fù)并打磨后的表面狀態(tài)．

4 影響沉積層質(zhì)量的因素

電火花沉積時(shí)熔融的電極材料以冶金方式與基體材料結(jié)合．電火花沉積表面的形貌是由無(wú)數(shù)密集的沉積點(diǎn)和放電凹坑所構(gòu)成，宏觀呈銀灰色的桔皮狀，如圖4a所示．沉積層的質(zhì)量直接影響著涂層或修復(fù)部位的性能．

4.1 保護(hù)氣（氬氣）

在無(wú)氬氣保護(hù)的狀態(tài)下沉積時(shí)，沉積表面發(fā)黑，沉積時(shí)電極發(fā)紅，沉積后電極表面有一層藍(lán)色的氧化膜，且沉積層表面粗糙，如圖4b所示，顯示無(wú)氬氣保護(hù)的狀態(tài)下沉積層中有明顯的層間疏松、未熔合的缺陷和孔洞．

在氬氣的保護(hù)下沉積時(shí)，在沉積過(guò)程中，沉積表面的氧化現(xiàn)象受到抑制，且熔融的電極材料以等離子狀態(tài)噴射到工件表面，這樣沉積層的表面粗糙度值大大減?。诔练e過(guò)程中，氬氣一方面對(duì)電極起冷卻作用，同時(shí)隔離空氣阻止金屬發(fā)生氧化．圖5是在氬氣保護(hù)下涂層區(qū)域橫截面的照片，修復(fù)區(qū)域的致密性明顯提高．由此可見，合理調(diào)整氬氣的流量可以降低沉積層的氧化，減少沉積層的裂紋和孔洞．

4.2 電容

由圖6可以看出，電容的大小與工件與電極之間放電能量的大小有直接關(guān)系．隨著電容的增大，單位時(shí)間內(nèi)沉積放電的能量增加，那么一次轉(zhuǎn)移的電極材料體積增大，沉積的凸起部位更高，從而造成表面粗糙值變大．同時(shí)，隨著放電能量的增大，放電時(shí)可以明顯地看到火花，有更多的火星向外噴射．由圖6b可看出，隨著電容的增大，沉積層中出現(xiàn)未熔合的孔洞，致密性大大降低．

圖4 沉積層的表面形態(tài)

圖5 沉積時(shí)氬氣保護(hù)的沉積層

圖6 不同電容時(shí)沉積層的金相照片

4.3 電壓

由圖7可以看出，隨著電壓的增大，沉積表面變得粗糙，放電時(shí)可以明顯地看到火花，有更多的火星向外噴射．當(dāng)電壓達(dá)到150V時(shí)，電極呈胭紅色，且在冷卻后，電極表面有一層氧化膜．電壓為50V時(shí)，沉積層比較致密，沒有明顯的孔洞；當(dāng)電壓升為150V時(shí)，沉積中有明顯的孔洞和未融合層．

通過(guò)上述試驗(yàn)比較得出，在工件和電極相同的條件下，減小電容、電壓，同時(shí)在沉積時(shí)增加保護(hù)氣，可以得到質(zhì)量較高的沉積層，但沉積效率會(huì)降低．通常，在沉積修復(fù)時(shí)，要綜合考慮沉積效率和沉積層的致密性．通過(guò)大量試驗(yàn)，下述沉積方法可以提高沉積層的致密性和連續(xù)性，提高沉積層的性能．

1）打底．選用高頻率低電壓（800 Hz，50V），氬氣的流量約為 3L/min．在每沉積一層后，輕敲，并用細(xì)砂紙打磨，以去除表面氧化薄層和微觀環(huán)境下的裂紋和氣孔，然后用滴耳球吹去粉末．這樣重復(fù) 5~10層．且要確保每次堆積的痕跡與上次痕跡充分交融，不要出現(xiàn)較高的凸點(diǎn)和凹坑．

2）修復(fù)．選用中等頻率、電壓（400 Hz，100V），能量大小調(diào)整以電極不發(fā)紅為準(zhǔn)．每沉積一層（約5～10道）后，輕敲，并用、細(xì)砂紙打磨，再用滴耳球吹去打磨產(chǎn)生的碎屑．沉積到低于基準(zhǔn)面10～20道即可．

3）蓋面．選用高頻率低電壓（800 Hz， 50V）．蓋面層沉積到超出實(shí)際使用高度 5~10道，然后用砂紙打磨平．

圖7 不同電壓時(shí)沉積層的金相照片

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