電火花表面沉積工藝研究現(xiàn)狀

 引言
對(duì)于電火花沉積技術(shù)的概念闡述目前還存在許多種解釋?zhuān)疚闹饕碗娀鸹ǔ恋砑夹g(shù)的概念分析為：通過(guò)特定電能對(duì)工作表面進(jìn)行處理，通過(guò)火花將特殊的材質(zhì)融入到工作物表面層，進(jìn)而形成新的金屬表面層，從而改變金屬的各種性能。電火花技術(shù)在我國(guó)社會(huì)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，尤其是在高技術(shù)行業(yè)得到快速的應(yīng)用與發(fā)展。
1 電火花表面強(qiáng)化技術(shù)基本原理和技術(shù)特點(diǎn)
電火花沉積的基本原理是，通過(guò)電極與工作件之間的以10～1000Hz的頻率在極短的時(shí)間內(nèi)將二者之間的接觸點(diǎn)溫度瞬間達(dá)到8000℃～25000℃，進(jìn)而將電極的溶解物進(jìn)行融化并且擴(kuò)散到工作件表層，形成電極工作金屬層。作為現(xiàn)代表面處理工作中的關(guān)鍵工藝，電火花沉淀技術(shù)具有以下特點(diǎn)：①電極接觸時(shí)間短，傳熱距離短，可以避免因?yàn)闊崃康膫魅雽?dǎo)致工作件因?yàn)楦邷氐榷霈F(xiàn)性能或者外部的變形等。②結(jié)合強(qiáng)度高。③工作環(huán)境要求不高。④電極材料具有選擇的靈活性。
2 電火花表面沉積工藝研究現(xiàn)狀
2.1 電火花沉積工藝對(duì)沉積層厚度的影響 我國(guó)對(duì)于電火花沉積工藝對(duì)于沉積層厚度的影響研究已經(jīng)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，汪瑞軍、陳偉偉等對(duì)沉積厚度的研究進(jìn)行了深入的研究分析。汪瑞軍提出了沉積層是電火花質(zhì)量評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)，電火花沉積厚度與生產(chǎn)工藝各因素之間有各種聯(lián)系。陳偉偉等人同樣是在TC1合金表面制備WC-8Co強(qiáng)化層，研究多項(xiàng)工藝參數(shù)同時(shí)變化時(shí)沉積層厚度的變化規(guī)律。4個(gè)沉積層厚度影響因子分別為工作電壓、電極轉(zhuǎn)速、放電電容和沉積時(shí)間，每個(gè)影響因子設(shè)定4個(gè)工藝水平，進(jìn)行四因素四水平正交試驗(yàn)。以WC-8Co沉積層厚度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。結(jié)果通過(guò)論證研究發(fā)現(xiàn)：工藝影響因素在電火花沉積厚度的影響程度中生產(chǎn)電壓的影響最大，放點(diǎn)電容的影響最小，因此規(guī)律的合理安排確定了優(yōu)化的電火花沉積工藝；沉積厚度隨著電壓的變化而具有關(guān)聯(lián)性，其關(guān)系呈直線(xiàn)上升趨勢(shì)；當(dāng)轉(zhuǎn)速增大之后，沉積厚度就會(huì)變小，因此常用的電機(jī)轉(zhuǎn)速在1000—2000r/min之間。陳文華利用相關(guān)手段對(duì)電火花沉積研究：電容容量與沉積厚度的高低有著線(xiàn)性關(guān)聯(lián)，當(dāng)電容容量越低，沉積厚度也就越小，其表面的光滑度也就越??；放電的頻率與工作件的表面粗糙程度有一定的聯(lián)系，當(dāng)放電頻率達(dá)到最高值時(shí)其形成的強(qiáng)化作用就會(huì)越大，其表面的處理就會(huì)符合電火花沉積工藝的目的；當(dāng)電壓輸出較高時(shí)，其與工作件的接觸點(diǎn)時(shí)間就會(huì)縮短，其對(duì)于厚度的影響也就會(huì)出現(xiàn)激烈的變化。
牛金輝等人通過(guò)對(duì)于特定材質(zhì)進(jìn)行電火花沉積實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沉積厚度是評(píng)價(jià)45﹟鋼和不銹鋼基體表面電火花沉積TiN表面層工藝性的關(guān)鍵因素。同樣各種工藝影響因素對(duì)于沉積厚度都有不同的影響，主要表現(xiàn)在：對(duì)于45﹟鋼和不銹鋼基體放電的總量控制應(yīng)該在一定的范圍內(nèi)，合理的電壓范圍應(yīng)該為高壓配置中檔電容；電火花的產(chǎn)生周期影響沉積的厚度，電火花周期越短，沉積厚度也就越大；沉積時(shí)間控制也要遵循一定的原則，合理的沉積時(shí)間能夠?qū)崿F(xiàn)沉積層的優(yōu)化。A.Agarwa等人研究了在Cu基體上沉積TiB的情況。研究發(fā)現(xiàn)，強(qiáng)化層與Cu基體之間不能形成冶金結(jié)合，且沉積層厚度很不均勻。如果電極材料與工作件的材料使用不當(dāng)就會(huì)造成結(jié)合層的實(shí)現(xiàn)不理想。
2.2 電火花沉積工藝對(duì)沉積層硬度與耐磨性的影響
劉建超利用了自行研制的電火花表面強(qiáng)化設(shè)備并選用不同的電極材料，對(duì)45#鋼、Cr12MoV等工件材料進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理，從強(qiáng)度、耐磨等角度分析了電火花沉積工藝的影響因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：強(qiáng)化層的強(qiáng)度高點(diǎn)在白亮層，它們之間的結(jié)合點(diǎn)強(qiáng)度最低。耐磨性實(shí)驗(yàn)表明，工作件的耐磨性與電極、材料以及強(qiáng)度時(shí)間有關(guān)。
狄平等人采用電火花表面強(qiáng)化設(shè)備，以硬質(zhì)材料作為強(qiáng)化電極材料，白口鑄鐵為基體材料，研究了電火花表面強(qiáng)化工藝對(duì)強(qiáng)化層性能的影響，從試驗(yàn)結(jié)果可知，強(qiáng)化的工作件的使用壽命比沒(méi)有強(qiáng)化過(guò)的工作件的壽命要長(zhǎng)，磨損的平均寬度也比沒(méi)有強(qiáng)化過(guò)的工作件要低，由此可見(jiàn)強(qiáng)化的工作件具有良好的使用性能。這主要是因?yàn)殡娀鸹ǔ练e所帶來(lái)的厚度影響，經(jīng)過(guò)電火花的強(qiáng)化會(huì)在表面形成放電點(diǎn)與放電融化點(diǎn)，它們的交互錯(cuò)綜就會(huì)形成表面的粗糙，進(jìn)而減少在使用過(guò)程中的全部摩擦，進(jìn)而提高工作件的硬度。劉先蘭等人經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，“白亮層”的硬度隨電極材料、基體材料的不同而變化，當(dāng)采用YG8硬質(zhì)合金作為工具電極材料時(shí)，強(qiáng)化層的顯微硬度可達(dá)1100～1400HV（相當(dāng)于70～74HRC）甚至更高。由于工模具工作表面的強(qiáng)化層具有較高硬度，因此可顯著提高工模具的耐磨性，一般可使工模具的使用壽命延長(zhǎng)1～3倍。經(jīng)電火花表面強(qiáng)化的落料模在沖壓加工厚度0.75mm的硅鋼片和厚度4mm的鋼板時(shí)其工作壽命可提高2～3倍。
張維平等人利用DM7132型精密電火花成型機(jī)，采用不同的電火花強(qiáng)化工藝，以硅作為強(qiáng)化電極在45#鋼表面形成一層非晶態(tài)合金強(qiáng)化層。通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在相同的條件下，經(jīng)過(guò)強(qiáng)化的試樣的磨痕寬度小于未經(jīng)強(qiáng)化的試樣的磨痕寬度且在試驗(yàn)過(guò)程中，當(dāng)磨球在經(jīng)強(qiáng)化的試樣表面上往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)平穩(wěn)且無(wú)噪聲；而在未強(qiáng)化的試樣表面上則出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，并發(fā)出刺耳的聲音。這表明強(qiáng)化層有良好的耐磨性能，硅電火花強(qiáng)化45﹟鋼形成的表面形貌是由無(wú)數(shù)分布均勻的圓盤(pán)疊加而成的，無(wú)方向性，這種表面形貌提高了強(qiáng)化層的耐磨性，同時(shí)強(qiáng)化層中金屬間化合物的增強(qiáng)作用，以及非晶與金屬間化合物之間良好的界面結(jié)合，也進(jìn)一步提高了強(qiáng)化層的耐磨性。
I.A. Podchemyaeva等人在BT6鈦合金表面，使用難熔的Ti，Zr氮化物電極進(jìn)行強(qiáng)化處理研究電火花合金化傳質(zhì)動(dòng)力學(xué)、涂層中元素的分布以及強(qiáng)化層的性能。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，合金層和熱影響區(qū)的顯微硬度分別是原始材料的3-5倍和1.5-2倍，強(qiáng)化后試樣的抗高溫氧化性能明顯提高。Mulin Yury等人以BT-1V鈦合金為基體，以硬質(zhì)合金B(yǎng)K8、T5K10和11×15H25M611Γ2鋼作電極進(jìn)行電火花合金化，制品表面的耐磨度與耐熱性提高60%-90%。
3 結(jié)束語(yǔ)
在經(jīng)歷了六十年的發(fā)展之后，電火花表面沉積技術(shù)由于具有其獨(dú)特的工藝性能如：投資小，見(jiàn)效快，其涂層不僅讓工件獲得了電極材料特征，而且改善了工件的質(zhì)量和延長(zhǎng)了工件使用壽命等。但其也存在著一些不足之處，如電火花沉積操作大多數(shù)為手工操作，沉積層的均勻性差，生產(chǎn)效率低，可靠性不高，同時(shí)也限制了沉積技術(shù)在某些場(chǎng)合的使用[2]。因此，電火花表面沉積技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)為：①已有的電火花放電理論具有較大的局限性，需要進(jìn)一步的修正和完善，直到形成完整的理論體系。②提高生產(chǎn)效率，進(jìn)一步研制大功率、自動(dòng)化、甚至微機(jī)控制電火花沉積設(shè)備，則大大提高沉積層的均勻性，大大提高電火花沉積的生產(chǎn)效率。③深入研究沉積機(jī)理，研究不同電極、母體材料的沉積工藝，復(fù)合沉積工藝，多電極沉積工藝等。