電火花沉積技術(shù)發(fā)展及在模具上的應(yīng)用

李福海 代明江 陳興馳 馬文有

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

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用；電火花表面涂層技術(shù)是在電火花加工基礎(chǔ)上發(fā)展起來的增材制造方法，在可在模具表面形成預(yù)防保護(hù)的涂層和堆焊修復(fù)工具和模具，具有一定的應(yīng)用前景。本文從技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用前景方面著重介紹電火花涂層的制造特點(diǎn)及在精密模具領(lǐng)域的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1 電火花涂層技術(shù)的特點(diǎn)

電火花涂層是利用金屬電極在金屬工件表面做相對運(yùn)動，在工件和電極的微區(qū)上產(chǎn)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(jié)合面形成冶金結(jié)合。由于電極和基體的熔化程度受電極極性和工藝參數(shù)的程度很大，導(dǎo)致形成的涂層成分和性能千差萬別，當(dāng)負(fù)極性連接時（工件接負(fù)），電極的熔化程度遠(yuǎn)高于基體，電極成分進(jìn)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(dāng)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(qiáng)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(shù)能夠應(yīng)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(qiáng)化和局部的增材制造。因?yàn)橄啾扔谄渌Ｓ玫谋砻婕夹g(shù)，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?。ú蛔冃危?，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(zhì)量很小，在極短的時間內(nèi)冷卻，熔滴的熱量迅速被（熱沉無限大的）工件擴(kuò)散，熱量不會集中在工件的處理部分，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義的冷焊。

（3）與基體冶金結(jié)合強(qiáng)度高，因?yàn)橥繉邮请姌O和熔滴熔化再凝固的混合物，因此實(shí)現(xiàn)了微區(qū)上的冶金結(jié)合，基本達(dá)到焊接的結(jié)合程度，遠(yuǎn)高于電鍍和熱噴涂等工藝的化學(xué)結(jié)合與機(jī)械結(jié)合。

（4）涂層是材料微區(qū)連續(xù)熔化和凝固形成的，組織細(xì)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(jìn)行。

（6）主體設(shè)備簡單，操作簡單，尤其適于大型工件或在線設(shè)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(dǎo)電、可熔化的金屬（黑色及有色）、陶瓷（金屬陶瓷）、復(fù)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(diǎn)：設(shè)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(yīng)用。

2 電火花涂層的形成原理

學(xué)者們在探索電火花涂層的形成機(jī)理時，已經(jīng)形成了比較統(tǒng)一的認(rèn)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（微電弧），電弧的存在同時熔化電極和基體，形成液態(tài)熔滴，熔滴過渡沉積在接觸點(diǎn)上，由于電容放電的脈沖是間斷行為，因此導(dǎo)致熔滴產(chǎn)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(qiáng)于電極，因此宏觀表現(xiàn)為基體材料的去除，在負(fù)極性連接時，電極熔化程度強(qiáng)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(fù)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(guān)于電火花涂層的放電形成機(jī)理的研究仍在繼續(xù)。

3 電火花涂層的工藝參數(shù)控制和優(yōu)化

影響電火花涂層的最關(guān)鍵因素是設(shè)備特性和工藝過程，沉積效率和涂層質(zhì)量是參數(shù)控制和優(yōu)化的最主要考核指標(biāo)。經(jīng)過大量系統(tǒng)研究，影響電火花涂層的工藝參數(shù)主要可以分為以下幾個方面：（1）電極種類及其運(yùn)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(jī)械加工、粉末冶金、3D打印）、外形（圓形、特制形狀）、運(yùn)動速度、持續(xù)時間、往復(fù)次數(shù)等。（2）基體材料。材料（純金屬、各種合金、復(fù)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(shè)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(yīng)系數(shù)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(hù)方式。（5）輔助添加介質(zhì)?？鼓?、耐腐、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(shè)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(dá)到與電極材料或基體材料完全相同的結(jié)構(gòu)和性能。

涂層質(zhì)量和穩(wěn)定性受涂層應(yīng)力影響。有學(xué)者采用有限元模擬軟件ANSYS對電火花涂層的溫度場、應(yīng)力場進(jìn)行模擬，計算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果接近。

5 電火花沉積層在模具領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）應(yīng)用于：模具強(qiáng)化及零件微量磨損的修復(fù)。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(jìn)行電火花表面修復(fù)，再經(jīng)表面研磨處理，修復(fù)層的硬度達(dá)到HRC50，沒有裂紋產(chǎn)生，維修過程極為簡便，時間縮短1倍，大大增加了經(jīng)濟(jì)效率。

（2）應(yīng)用于：銅合金精密部件和各種模具的型腔表面強(qiáng)化及零件微量磨損的修復(fù)。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(jìn)行電火花表面修復(fù)，修復(fù)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(yīng)力的作用，效果良好。

某單位與伯明翰大學(xué)合作在H13基體上制作了電火花強(qiáng)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(guān)鍵參數(shù)嚴(yán)重影響著沉積層的結(jié)構(gòu)和性能；涂層的截面組織中有明顯的WC白亮層，結(jié)構(gòu)致密，與基體結(jié)合緊密，其硬度達(dá)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(yīng)用前景。

6 結(jié)束語

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

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