電極材料對(duì)不銹鋼短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工性能影響研究＊

張儒 胡國(guó)玉 周建平 張晟晟 代向宇

（新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047）

304 不銹鋼材料具有耐腐蝕性、強(qiáng)韌性、耐高溫性和耐低溫性的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶、航天裝備等領(lǐng)域。因其不同的合金成分導(dǎo)致其材料硬度高、塑性大，傳統(tǒng)切削加工方式難以實(shí)現(xiàn)高效加工，同時(shí)其散熱能力差也會(huì)導(dǎo)致工件材料的變形及工具材料的損耗，影響加工零件的表面粗糙度[1]。

短電弧加工是一種低電壓大電流的放電加工方法，利用極間放電的高能離子束來(lái)蝕除加工材料，可加工任何導(dǎo)電金屬材料，加工效率較高。但由于短電弧加工是通過(guò)高溫熔化和蒸發(fā)去除材料，加工后工件表面會(huì)覆蓋著由再鑄層和熱影響區(qū)組成的熱損傷層。特別是硬、脆的再鑄層，降低了零部件的疲勞強(qiáng)度和使用壽命，增加了后續(xù)精加工的難度。在提高工件表面完整性方面，Zhang L 發(fā)現(xiàn)短電弧加工中極間存在電化學(xué)反應(yīng)[2]，電化學(xué)作用能有效溶解加工后的表面再鑄層及熱影響層，提高加工工件的表面質(zhì)量，后續(xù)提出了基于NaCl 電解質(zhì)的短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工方法（SEACM）。

國(guó)內(nèi)外專家針對(duì)復(fù)合加工中的工具電極進(jìn)行了研究。張彥針對(duì)電火花-電解復(fù)合加工的電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，揭示了電極低損耗原理[3-4]。尹青峰采用電導(dǎo)率比去離子水高的電解液，揭示了電沉積補(bǔ)償電極損耗機(jī)理，有效減小了電極的損耗[5-6]。許超針對(duì)霧化燒蝕-電解復(fù)合加工，優(yōu)化了電極的運(yùn)動(dòng)軌跡，加工出符合要求的型腔[7]。復(fù)合加工模式下極間作用具有不同的材料去除機(jī)制和電極損耗機(jī)制，不同的電極材料具有不同的物理特性和表面化學(xué)成分，最終會(huì)導(dǎo)致不同的加工效率和加工質(zhì)量。因此電極材料對(duì)復(fù)合加工性能有著重要影響。本文采用短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工方法進(jìn)行不銹鋼加工實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同電極材料下的加工性能差異，探索適合短電弧-復(fù)合加工方式的工具電極材料，旨在提高加工效率和工件表面質(zhì)量，為這種復(fù)合加工方式的后續(xù)研究提供理論依據(jù)。

1 短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工原理

短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工采用具有一定電導(dǎo)率的鹽溶液與空氣混合作為工作介質(zhì)，其中空氣通過(guò)壓力氣泵提供，電解液由水泵提供，沖刷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)介質(zhì)的循環(huán)。與短電弧加工使用的水氣混合介質(zhì)不同，混合工作介質(zhì)同時(shí)具有介電和電解特性，良好的電導(dǎo)率和一定的介電強(qiáng)度使得極間同時(shí)發(fā)生短電弧加工、電化學(xué)反應(yīng)以及短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工。加工原理如圖1 所示，極間通過(guò)電弧的高能量快速蝕除工件材料，短電弧加工中的高密度能量會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生微裂紋和凹坑，加工表面質(zhì)量下降。同時(shí)極間電化學(xué)作用會(huì)對(duì)已加工的表面進(jìn)行修整，電極的底部與工件表面會(huì)形成電化學(xué)場(chǎng)，使電化學(xué)溶解發(fā)生在陽(yáng)極工件表面，能有效溶解加工表面的熔融顆粒和微裂紋，實(shí)現(xiàn)電解去除表面重鑄層，消除加工后工件表面的殘余應(yīng)力，有助于提高工件表面質(zhì)量和抗疲勞使用性能。

圖1 短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工原理圖

2 試驗(yàn)裝置及方案

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

本實(shí)驗(yàn)在原有短電弧專用銑削機(jī)床基礎(chǔ)上添加電解液循環(huán)系統(tǒng)，組成短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖2 所示。檢測(cè)儀器包括DEWESOFT SIRIUS 多通道數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，掃描電子顯微鏡（JSM-5600LV），超景深三維顯微鏡（VXH-6000）。實(shí)驗(yàn)工件材料為304 不銹鋼，工件尺寸為30 mm×30 mm×10 mm，其化學(xué)成分如表1 所示。實(shí)驗(yàn)電極采用外徑為18 mm，內(nèi)徑為8 mm 的中空管狀電極，選擇鋁、紫銅、石墨和304 不銹鋼作為電極材料，鋁、紫銅、石墨和304 不銹鋼的物理性質(zhì)如表2 所示。

表2 電極材料的物理性質(zhì)

圖2 短電弧專用銑削機(jī)床與自制電解液循環(huán)系統(tǒng)

表1 304 不銹鋼工件成分

2.2 加工過(guò)程和條件

為了探究不同電極材料對(duì)短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工的影響規(guī)律，進(jìn)行3 組電壓參數(shù)下不同電極材料加工的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。為了保證電弧加工的能量，使材料去除明顯，采用正極性的加工方式。同時(shí)采用濃度為5% 的NaCl 溶液混合空氣作為工作介質(zhì)，保證了電弧加工極間的沖刷效果，該濃度下介質(zhì)具有高電導(dǎo)率，能提供穩(wěn)定的電化學(xué)反應(yīng)的介質(zhì)環(huán)境。具體實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)如表3 所示。

表3 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 電壓電流波形分析

圖3 是4 種不同電極材料加工時(shí)的極間電壓與電流波形。加工過(guò)程中存在短電弧隨機(jī)放電時(shí)產(chǎn)生大電流波形以及非放電狀態(tài)下波浪狀的持續(xù)電解波形，說(shuō)明短電弧-電化學(xué)加工中電弧放電與電化學(xué)作用同時(shí)存在。電弧放電峰值電流與其材料熱物理性能相關(guān)，石墨、紫銅、不銹鋼和鋁電極的電弧放電峰值電流分別在260 A、252 A、300 A 和170 A附近波動(dòng)，石墨電極的放電群組更為密集，單位時(shí)間內(nèi)放電能量更大，這與石墨的高熔沸點(diǎn)有關(guān)。但不同電極的材料其合金成分不同，再加上晶體的不規(guī)則性使得工件表面的電流密度分布不同，電解電流的大小也不相同[8]?？梢钥吹阶香~電極加工時(shí)有著35 A 穩(wěn)定的電解電流，其平均電解電流均大于其他3 種電極材料，使用紫銅電極時(shí)的極間電化學(xué)作用最強(qiáng)。這是因?yàn)榧庸み^(guò)程中，鋁電極和不銹鋼電極的損耗較大，會(huì)影響加工時(shí)的介質(zhì)間隙，同時(shí)改變電極表面的電場(chǎng)分布。由于工具和工件之間的距離的增加，導(dǎo)致極間電解質(zhì)的導(dǎo)電性變差，電阻增加，造成工件表面的電流密度分布不均勻，溶解速率隨著間隙尺寸的增大而減小，使電化學(xué)溶解能力減弱。

圖3 不同電極材料加工波形

3.2 MRR 分析

短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工的材料去除率與極間反應(yīng)的能量大小有關(guān)，通過(guò)極間反應(yīng)的電流波形及平均電流密度可以得出復(fù)合加工的絕大多數(shù)材料是由短電弧放電作用完成，極間電化學(xué)溶解主要用于去除工件表面再鑄層。所以復(fù)合加工的材料去除率取決于極間的放電作用，其大小受電極的熱物理性質(zhì)影響很大。圖4a 顯示了不同電極加工不銹鋼工件的材料去除率，可以看到，隨著加工電壓的上升，石墨和紫銅具有較高的材料去除率，25 V 加工電壓下紫銅電極的材料去除率達(dá)到了76.08 mm3/min，是鋁電極材料去除率的3 倍以上。這是因?yàn)殇X電極的熔點(diǎn)低，加工過(guò)程中損耗過(guò)大，造成加工后工件的實(shí)際銑削深度達(dá)不到預(yù)定的深度，MRR 顯著下降。石墨電極的材料去除率小于紫銅電極，這是因?yàn)槭臒釋?dǎo)系數(shù)約為紫銅的1/8，紫銅電極熱傳導(dǎo)效率更快，使得加工中的等離子通道縮小，熱量更集中，放電能量增加導(dǎo)致MRR 上升[9]，而石墨則需要更多的時(shí)間來(lái)消散自身產(chǎn)生的熱量，傳遞到放電通道的熱量減小，MRR 減小，同時(shí)紫銅加工時(shí)的電解電流最大，在脈沖間隔時(shí)期，極間電化學(xué)作用修整了工件的表面，一定程度上也增加了材料的去除。

3.3 RTWR 分析

圖4b 顯示了隨著電壓的上升，電極損耗呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)。這是因?yàn)榧庸げ捎肗aCl 鹽溶液，電解質(zhì)導(dǎo)電性增加，使得極間脈沖能量增加，工件材料更容易發(fā)生熔融濺射，增加極間碎屑的轉(zhuǎn)移速率，在電極表面形成濺射層，減小了電極損耗[4]。4 種電極材料的相對(duì)電極損耗率排序?yàn)椋翰讳P鋼＞鋁＞石墨＞紫銅，紫銅相對(duì)電極損耗率僅為4.64%，遠(yuǎn)小于不銹鋼電極損耗率92.6%，這是因?yàn)樽香~電極具有高導(dǎo)熱性，電極自身吸收的能量較小，較高的電解電流使得極間電化學(xué)作用更強(qiáng)，更多工件材料溶解并以離子形式進(jìn)入電解質(zhì)，導(dǎo)致更多金屬離子移動(dòng)到工具電極表面并被吸附沉積，降低了電極的損耗[6]。不銹鋼電極損耗最大，這是因?yàn)椴讳P鋼電極導(dǎo)熱性差，加工過(guò)程不穩(wěn)定，加工中熱量不能及時(shí)的傳遞出去，在高溫等離子體作用下更易形成損耗，同時(shí)不銹鋼表面易生成氧化膜，減小了濺射層的形成速度，降低了補(bǔ)償效率。鋁電極的損耗主要是由于電極材料中鋁的熔點(diǎn)低造成的。

圖4 不同電極材料對(duì)MRR、TWR 和SA 影響曲線

3.4 工件表面宏觀分析

不同電極材料加工的工件表面粗糙度如圖4c所示。隨著電壓的上升，石墨電極的表面粗糙度逐漸增加，其他電極材料呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。這是因?yàn)榻饘匐姌O極間更容易產(chǎn)生電化學(xué)作用。如圖5 是使用超景深顯微鏡拍攝的加工表面二維平面圖和三維輪廓圖。可以看出鋁電極加工過(guò)的表面中間有明顯的凹坑，凹坑分布范圍大，由許多細(xì)小電蝕坑疊加而成。而石墨加工過(guò)的表面有較深的棱脊且周圍堆積大量熔物，這是因?yàn)槭拿芏刃?，材質(zhì)疏松，加工過(guò)程中易被吸附，加工穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生電弧燒蝕現(xiàn)象，造成表面粗糙度較大[10]。紫銅電極和不銹鋼電極加工過(guò)的表面較為平坦，因?yàn)樽香~和不銹鋼電極的電阻率相對(duì)較大，極間等效電阻增加，兩電極之間的電場(chǎng)強(qiáng)度和介質(zhì)擊穿速率增大，能夠產(chǎn)生良好的放電分散效果，這減少了熔融物堆積引起的電弧燃燒現(xiàn)象，且蝕刻坑深度減小，工件表面粗糙度減小。同時(shí)紫銅電極在電弧高溫高熱作用下具有較強(qiáng)的抗沖擊和抗裂性，成形凹坑尺寸減小，加工表面更加平整。

圖5 不同電極材料加工工件表面形貌

3.5 工件表面微觀形貌分析

如圖6 是使用掃描電子顯微鏡觀察到的不同電極加工后的工件表面微觀形貌。可以看到石墨電極加工的表面有較大的球狀顆粒與較深的凹坑，表面質(zhì)量最差。而鋁電極加工后的表面有許多工作介質(zhì)冷卻形成的細(xì)小球狀顆粒，同時(shí)分布著大量的不均勻的斑塊，表面沒有明顯的微裂紋。這是典型的短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工出來(lái)的表面樣貌，極間的電化學(xué)作用溶解了一些較大的顆粒與凹坑，加上電解液的沖刷，形成了微小的沖蝕孔洞及顆粒。紫銅加工時(shí)極間的電化學(xué)作用最強(qiáng)，表面的粗糙度會(huì)隨著電流密度的增加而減小，表面的再鑄層和微裂紋都會(huì)被溶解，且短電弧放電和電化學(xué)反應(yīng)更加穩(wěn)定，加工出來(lái)的表面相對(duì)平整，只有少量的重鑄顆粒附著在表面。不銹鋼加工出來(lái)的表面具有顯著的裂紋表面缺陷，這是因?yàn)樵跇O間電解質(zhì)的快速?zèng)_刷下，熔化的材料迅速冷卻凝固，使得材料內(nèi)部的熱應(yīng)力不能迅速釋放，進(jìn)而在交界處形成微裂紋，導(dǎo)致表面抗疲勞能力降低。

圖6 不同電極材料加工工件表面微觀形貌

3.6 元素分析

可以從圖7 看到工件表面有304 不銹鋼的基體元素如Fe、Mn、Cr 和C 等元素，石墨電極和不銹鋼電極加工后工件表面的C 元素含量均有提高，而石墨電極加工的工件表面C 含量明顯增多，不銹鋼電極加工的工件表面Fe 含量明顯增多，是因?yàn)槭姌O、不銹鋼電極加工時(shí)放電直接作用于工件表面，放電通道中的帶電粒子到達(dá)工件表面或工具電極時(shí)會(huì)產(chǎn)生高速?zèng)_擊，工具電極材料在沖擊后發(fā)生遷移、熔化和擴(kuò)散，最終殘留在工件表面。不銹鋼電極加工后的表面O 的含量明顯減少，這是因?yàn)榻饘匐姌O極間電化學(xué)作用強(qiáng)，電化學(xué)溶解會(huì)去除工件表面氧化膜，減少工件表面的銹蝕物。而在紫銅電極加工后的表面則大多是不銹鋼的基體元素，沒有發(fā)現(xiàn)殘留的Cu 元素，原因是工件表面發(fā)生了較強(qiáng)的電化學(xué)作用，紫銅電極遷移的材料被極間電化學(xué)溶解，工件表面質(zhì)量更好。

圖7 不同電極材料加工工件表面成分

3.7 再鑄層分析

分析4 種不同電極加工后的斷面形貌差異，如圖8 所示。可以看出石墨電極加工后的表面重鑄層最厚，再鑄層覆蓋了整個(gè)加工的表面，再鑄層最大厚度為24 μm，大于不銹鋼電極的再鑄層厚度17 μm，因?yàn)槭庸み^(guò)程中組織相變產(chǎn)生的熱應(yīng)力較大，同時(shí)具有較低的導(dǎo)熱率，導(dǎo)致極間碎屑易重熔粘結(jié)，電介質(zhì)不能沖刷掉熔融金屬，會(huì)在工件表面上產(chǎn)生更多的熔融金屬殘留物。金屬電極加工后工件截面沒有明顯的再鑄層分層現(xiàn)象，鋁和不銹鋼加工出來(lái)的截面存在少量殘余再鑄層，這是加工時(shí)極間電化學(xué)作用的結(jié)果，而紫銅電極加工出的表面幾乎沒有再鑄層，這是因?yàn)樽香~電極加工時(shí)電化學(xué)作用最強(qiáng)，復(fù)合加工過(guò)程中的電化學(xué)溶解作用確實(shí)有效地去除了電弧放電高溫熔融所產(chǎn)生的再鑄層，同時(shí)紫銅電極的導(dǎo)熱率最高，會(huì)使熱量傳遞到極間工作介質(zhì)，使得極間的介質(zhì)溫度升高，增加電化學(xué)反應(yīng)速率，再鑄層去除更為完整。

圖8 不同電極材料加工工件截面微觀形貌

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)304 不銹鋼在短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工不同電極材料下的加工性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，可以得出以下結(jié)論：

（1）電極材料對(duì)短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工的性能有著重要影響，當(dāng)采用鋁、石墨、紫銅和不銹鋼為加工電極材料時(shí)，MRR 的大小為紫銅＞石墨＞不銹鋼＞鋁，RTWR 的大小為紫銅＜石墨＜鋁＜不銹鋼，紫銅電極具有相對(duì)高的材料去除率和低的電極損耗率。

（2）通過(guò)對(duì)截面微觀樣貌和元素含量分析，石墨電極的導(dǎo)熱能力差，極間電化學(xué)作用較弱，材料更容易重鑄。紫銅電極電化學(xué)溶解能力最強(qiáng)，工件截面的再鑄層均被溶解，加工后的工件表面質(zhì)量更好。

（3）通過(guò)極間放電波形和表面微觀形貌分析，采用紫銅電極時(shí)，加工狀態(tài)穩(wěn)定，在保證加工效率和低損耗的同時(shí)，極間電解電流最大，同時(shí)電化學(xué)作用明顯，加工出來(lái)的工件表面質(zhì)量最好，所以紫銅相對(duì)其他3 種電極更適合作為短電弧-電化學(xué)復(fù)合加工的工作電極。