（材料学专业论文）电火花沉积及其合金化.pdf

摘要 本文利用了新型电火花表面沉积设备并选用w c 的电极材料，对h 1 3 钢、 3 c r 2 w 8 v 铡、g c r l5 钢和1 i 锈钢l c r l8 n i 9 t i 等工件材料进行了电火花表面沉 积处理，较深入的研究了电火化表面沉积层的形成规律、沉积层的结构、组成 和特性，以及沉积的机理。通过选择和控制沉积工艺参数( 功率、电压、频率 及比沉积时划) ，研究了沉积层的厚度、粗糙度、硬度、耐磨性及其影响因素， 并得出提高沉积层质量和沉积效率的优化工艺。 x 射线衍射及线扫描分析表明，沉积层组织中含有碳化物等复杂物质以及 电极、工件元素，并且电极和工件元素沿沉积层深度方向按定的梯度分布。 电火花沉积不是电极材料在基体上简单的镀覆，沉积层实际为电极材料、工件 材料在高温、高压下发生相互融渗、物理化学冶金及合金化的结果。不同的沉 积参数导致沉积层组织结构的不一样，可见电火花沉积参数对沉积层的组织结 构柯定的影向。 不同比沉积时间下沉积层表面、断面形貌的金相分析可知，要得到连续、 均匀、致密和具有一定厚度的沉积层，关键是选择合适的比沉积时间。比沉积 时间过短，则沉积层过薄，沉积效果不明显；比沉积时间越长，则沉积层越厚， 但沉积层易出现裂纹、剥落和断缺，使沉积层质量下降，并使沉积效率降低。 不同的基体材料有不同的最佳比沉积时问。 沉积工件的硬度和耐磨性能实验表明，沉积层的硬度和耐磨性显著高于工 件摹体。沉积层的硬度在白亮层最高，在沉积层与与基体的结合区硬度降低， 并在过热影响区达到最低。选择高硬、耐磨的电极材料，合适的沉积参数及比 沉积时问，可以获得高硬度、高耐磨性能的沉积层。 f 电火花沉积过程中，较为优异的沉积工艺为：先采用较大的沉积参数沉 积以满足沉积层应具有一定厚度的要求，同时提高沉积效率；然后采用小的沉 积参数进行沉积表面的整修，以提高沉积表面的光洁度和致密性。 关键词：电火花沉积沉积层沉积参数耐磨性硬度 a b s t r a c t i nl h isin v e s t i g a t i o n b yu t i 1iz i l gan e we l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o n e q u i p m e n t，s o m es a m p l e s a r es u r f a c e d e p o s i t e db y w c p o s i t i o n e 1e c t r o d e ，l na d d i t i o n ，t h e f o r m i n gm e e h a n i s ma n dt h ec h a r a c t e r so ft h e d e p o s it1 a y e r a r e s y s t e m i c a l l y r e s e a r c h e da sw e l la st h e 1 a y e r s c o n s t r u c t i o na n de l e m e n td is t r i b u t i o na r es t u d i e d i no r d e rt oi m p r o v e t h e d e p o s np r o d u c t i v e n e s s a n dt h e l a y e r q u a l i t y ，t h e1 a y e r s h a r d n e s s ，w e a r in g r e s is t a n c e ，c o a r s e d e g r e e a n d d e p o s i td e p t h a r e in s p e c t e du n d e rd i f f e r e n t d e p o s i tp a r a m e t e r s s u c ha st h e p o w e r ，t h e v o i t a g e ，t h ef r e q u e n c ya n dt h ed e p o s i tt i m e ，a n da no p t i m u mt e c h n o l o g yis p u t f o r w a r d a c c o r d i n gt ot h ea n a ly s e so ft h ex r a yd i f f r a c t i o ra n d1 i n es c a n ，t h e d e p o s jt i n gl a y e r isc o n s is t e do fc a r b i d e s ，t h ee l e m e n t so fp o s i t i v e e l e e t r o d e sa n ds p e c i m e n s t h ee l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o ni sn o to n l ya p r o c e s s o ft h e p o s i t i o ne l e c t r o d e s o v e r l a y i n g o nt h em a t r i x m a t er i a ls h u ta l s oac o m p l i c a t ea l1 0 y i n ga n dm e t a l l u r g yp r o c e s so ft h e e l e m e n t sc o m i n gf r o mt h ep o s i t iv ee l e c t r o d e sa n ds p e c i m e n t h e m e t a l l o g r a p h a n a ly s iso ft h e l a y e r s s u r f a c ea n ds e c t i o n a p p e a r a n c ed e m o n s t r a t e s t h a tt h ed e p o s i tp e r i o di st h ek e yf a c t o rt o f o r m i n gas u c c e s s iv e ，w e l l d is t r i b u t e d1 a y e rw i t hac e r t a i nd e p t h i ft h e d e p o s i tp e r i o d jst o o s h o r t ，t h el a y e r w i l lb et o ot h ina n dh a s1 e s s e f f + e c t o nt h eo t h e rh a n d 。i ft h ed e p o s i tp e r i o dist o oi o n g ，t h el a y e rw i l l b r e a l a n dc o m eo f f ，a n dt h e s u r f a c e q u a l i t y a sw e l la st h ed e p o s i t p r o d u c t i v e n e s sw i l l d e c r e a s e s t e s t ss h o wt h a tt h eh a r d n e s sa n dw e a r i n gr e s i s t a n c eo ft h ed e p o s i t l a y e ra rem u c hh i g h e rt h a nt h a to ft h em a t r i xm a t e r i a l s t h eh a r d n e s si s v e r yh i g hjnt h ew h i t e b r i g h ta r e a i ft h es p e c i m e nis h a r d e n e db yas t i f f a n d h i g h lyw e a r i n g r e s is t a n t p o s it i v e e l e c t r o d ef o r a a p p r o p r i a t e h a r d e nin gp e rio d ，it ss u r f a c eh a r d n e s s a n dw e a r i n gr e sis t a n e e wi1lb e g r e a t1 yi m p r o v e d t h eo p t i m u mt e c h n o l o g y0 fe l e c t r e s p a r kd e p o s i t i o nist h a t ：t om e e t t h e r e q u i r e m e n l0 fac e r t a i nl a y e r d e p t ha n d i m p r o v e t h ed e p o s i t p r o d u e t i v e n e s s ，al a r g ed e p o s i tp a r a m e t e rs h o u l db ea d o p t e df ir s t ，a n d t h e nas m a l l e f d e p o s i tp a r a m e t e r i ss e l e e t e dt o i m p r o v et h ei a y e r s s m o o t h i n ga n dc o m p a c t n e s s k e yw o r d s ：e l e c t r o s p a r kd e p o s i t i o nd e p o s i tl a y e rd e p o s i t p a f a m e t e rw e a r i n g r e s is t a n c eh a r d n e s s i i i 昆明理工大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下( 或 我个人) 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内 容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成 果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 2拗 日 期：f 年；月0 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解昆明理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅，学校可以公布 论文的全部或部分内容，可以采用影印或其他复制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守) 导师签名：圣笙垦论文作者签名： 日 期：3 竺型生互魍幺旦 昆明理工大学硕士学位论文 1 1 选题的背景 第一章绪论 现代的机械制造业都致力于提高零件的可靠性和使用寿命，以改进产品的 质量和增加经济效益。在机械制造业中，切削刀具和模具是最为普遍采用的重 要，f 产工具。随着科学技术的发展和生产技术的进步，加工设备的运转速度、 加工能量、生产效率和自动化水平日益提高，产品的精度要求也越来越严格。 为了延长产品的使用寿命，新的高硬度、耐高温、高韧性等难加工材料不断涌 现。因此，对切削刀具和模具的耐用度也相应地提出更高的要求【l2 1 。 众所周知，车刀等刀具在切削过程中刃口便会逐渐被磨损，当刀具磨损到 定程度之后，就要停机卸下刀具进行刃磨。如果刀具的耐磨性差，停机的次 数就多，这不仅影响到工件的质量，而且使生产效率降低。同样，模具在使用 中也会被磨损。比如，冷冲模具在磨损之后刃口变钝，模具配合间隙扩大导致 冲件毛刺增加而必须卸模进行刃磨。一付模具的刃磨次数是有限的，两次刃磨 之间的冲件数量越多，说明模具的使用寿命越长，所以要求模具具有高的耐磨 性能。热锻模、压铸模等模具则是工作在较高的温度下，而冷冲模具在工作中， 局部也会产生高温，因此模具同样希望具有耐高温的性能。 除了刀具和模具之外，对于一些易磨损的机器零件和设备也要求提高它的 耐磨性和使用寿命，因为现代工业的发展对机电产品提出了更高的要求，体积 要小巧，外形要美观，而且能在高温、高速、重载以及腐蚀介质、恶劣环境下 可靠持续的工作。而一台机器往往因为某个或某几个零件磨损而停止运转。所 以，提高易磨损件的耐磨性是提高设备质量的重要方面。比如，拖拉机快档拨 叉的早期磨损就是影响拖拉机质量的关键之一，提高拨叉的耐磨性，解决早期 磨损的缺陷，就能使拖拉机正常运行，大大减小制造厂的返修工作量。再比如 在电力、矿山、化工、冶金等领域应用于磨蚀和腐蚀等恶劣环境下的转轮、叶 轮、轧辊，其使用寿命并不很长，经过表面处理后，大大延长了其使用寿命。 为了提高零件的可靠性和使用寿命，改进产品的须量和增加经济效益，零 件必须经过特殊的强化处理。但是一些传统的老工艺常常达不到预期的要求， 这就促使人们去探索新的途径。应用表面强化技术提高零件的可靠性和使用寿 第一章绪论 命就是其措施之一。“。 表面强化技术的方法是多种多样的。高能束热源表面强化( 激光、电子束、 高频电磁感应加热等) 、化学热处理( 渗碳、渗氮、碳氮共渗等) 、喷涂各种涂 层材料、物理气相沉积( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 、喷丸强化等都是非常有 效的表丽强化手段，它们既可以提高产品的硬度、耐磨性及高温红硬性等性能， 显著的提高产品的使用寿命，又能大大减少贵重材料的消耗，从而降低产品的 成本”。 1 1 1 高能束热源表面强化技术 常用的高能束热源表面强化技术有激光表面强化、电子束表面强化和电磁 感应表面强化。作为一种表面工程技术，其中以激光表面改性技术应用最广、 发展最快。我们以激光表面强化说明此种表面强化技术的一些特点。 激光表面强化一一激光表面强化是用一定扫描速度的激光束照射被处理的 金属表面，在很短的时间( 1 0 一1 0 _ 3 秒) 内激光的能源被处理表面吸收而产 生高温，当激光束移开时被处理表面迅速冷却，从而达到表面强化的目的。 激光表面强化具有加热、冷却速度快，可进行局部的选择性淬火、工件氧 化小、几乎无变形和可进行局部合金化处理等特点，能够很快地赋予金属表面 很高的硬度和酬磨性。但激光表面强化也存在一些缺点而制约其广泛的应用： 激光器受功率限制，且价格较贵，只能取代部分热处理方式，应首先选择产生 经济效益较大的零部件予以应用。 1 1 2 超硬化合物表面涂覆强化处理 这是在工件表面涂覆一层或多层超硬化合物。涂覆物质有t i c ，v c ，n b c ， ( c rf e ) c ，a 1 0 等，覆膜厚度随涂覆物质的种类、工件形状等因素而变，一 般在3 15 帅范国内。这种技术的最大特点是能获得高硬度、高熔点的覆膜。 但超硬化合物表面涂覆处理也有一定的局限性。 实施超硬化合物表面涂覆的主要方法有化学气相沉积( c v d ) 、物理气相沉 积( p v d ) 、熔盐浸镀( t d ) 等几种“4 。我们这里简单介绍c v d 和p v d 处理方 法。 1 )c v d 处理 昆明理工大学硕 学位论文 化学气相沉积c v d ( c h e m i c a lv a p o u rd e p o s i t i o np r o c e s s ) 法是将低温 下气化的金属盐( 通常为金属卤素化合物) 与加热到高温的基体接触，通过与 碳氢化合物和氢进行反应，在基体表面上沉积所要求的金属或金属间化合物。 缺点：c v d 技术是热力学条件决定的热化学过程，一般反应温度多在1 0 0 0 。c 以上，限制了c v d 技术的应用范围。同时c v d 需要气密减压的反应容器，其 排出物污染环境，有害健康。此外，大多数c v d 处理的工具必须重新加热。 2 ) p v d 处理 物理气相沉积p v d ( p h y s i c a lv a p o u rd e p o s i t i o np r o c e s s ) 处理是用物 理方法把欲涂覆物质涂覆在工件或试样表面上的处理技术。 p v d 处理中使用的蒸发物质和反应气体不同，可在工件表面形成各种不同 的超硬化合物涂层，从而具有令人满意的耐磨牲、耐蚀性、耐热性及装饰性。 p v d 需要真空等离予系统以及蒸发源，设备价格较高，且在真空之中进行处 理，只适于小型： 件或经济效益较大的工件的处理。 1 1 3 化学表面热处理强化 化学表面热处理是使工件表面层组织成分发生化学变化的一种强化方法。 在化学表面热处理过程中，工件被放在某种化学介质中加热活性原予渗入工件 表面而改变工件的化学成分和组织，以获得所需的性能。 化学表面热处理的目的为达到“表硬里韧”的表面强化作用：提高工件的 疲劳强度，获得特殊的物理、化学性能，如耐蚀性、耐磨性等。根据渗入工件 表面的元素不同，化学表面热处理有渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼和渗硫等。 工业上常用的有渗碳、渗氮、碳氮共渗和渗硼 6 7 8 1 。我们简单介绍渗碳这种表 面处理方法。 渗碳是将碳元素渗入低碳钢或低碳合金钢表面，使其含碳量提高到0 8 1 0 ，再经低温回火，以获得表面的高硬度和耐磨性。而心部仍保持较好的韧 性。渗碳根据采用的渗碳剂不同，可分为气体渗碳、固体渗碳和液体渗碳三种， 生产中常用的是气体渗碳。 气体渗碳常将煤油作为主要渗碳剂滴入井式炉中进行化学分解，产生甲烷 ( c h 。) ，并析出活性碳原子 c ： c h 。 2 h 2 + lc 活性碳原子 c 被钢件表面吸收，再向内部扩散，实现渗碳。 第一章绪论 渗碳零件必须进行淬火及低温回火。渗碳可以提高工件的表面强度。耐磨 性和抗疲劳性能，并保持良好的韧性。 渗碳有以下一些优缺点及其应用范围：气体渗碳生产效率高，操作方便， 渗碳层质量容易控制，渗碳后可直接淬火。应用广泛，可用于成批生产，但操 作时间长；液体渗碳操作简单，加热速度快，渗碳时间短，可以直接淬火，适 用于批量生产，但多数渗碳剂有毒，工件表面若沾有残盐，需要清洗；固体渗 碳时间长，劳动条件差，渗层质量不好控制，但对加热炉要求不高，适用于小 批量生产。 1 1 4 离子注入表面强化处理 离子翔：入表面强化处理也是一种广泛使用的表面强化新技术，目前离子注 入工艺己应用于许多工业部门，尤其是在工具和模具制造工业，效果更为突出。 离子注入技术是在真空中将注入的原子电离成离子，由引出系统引出离子束流， 使带电离子在强电场下加速，直接注入到置于靶中的固体材料表面，从而形成 一定深度离于注入层，同时改变表层的结构和成分，以获得新的性能的表面处 理工艺。离了注入技术的主要优点为0 1 3 1 1 离子注入可以向金属或合金材料表面注入任何所需要的元素，被注入 的元素不受合金系统平衡相图中固溶度的限制。 2 离子注入的浓度可以很大，且与扩散系数无关。处理过程是依赖于离 了的高能运动而不是靠热能渗浸到工件表面内，不存在变形问题。 3 能改变材料的表面性质而不影响材料的内部结构和特性，既可保持工 件表面硬度、耐磨性好，又可保持基体韧性好。 4 离子以很高的速率注入工件表面引起点阵损伤，形成密集的位错网络， 使表而获得强化，增加耐磨性和其它力学性能。在处理的表面上产生压应力， 提高了工件的疲劳寿命。 5 注入层和基体不存在着明显的界面，不存在表层疏松剥落和界面腐蚀 问题。 6 无废物处理，安全可靠。 离子注入工艺和其它表面处理工艺相比，同样存在着局限性 4 1 4 a 5 】： 昆明理工人学硕士学位论文 1 由于离子注入的直线性，对复杂的工件或工具进行处理时，需转动或 平移工件，有时即使转动或平移工件也难干解决问题。 2 要求注入离子剂量大，至少要使离子在1 0 7 离子c m 2 以上，要求专 用的强流注入机，设备费用昂贵。 3 山于工件表面注入层薄，对服役于重磨擦的工件受到了一定的限制。 1 1 5 热喷涂和热喷焊 热喷涂也是材料表面强化处理的一种有效方法，它是利用专用设备将某种 阎体材料加热熔化或软化并加速，喷射到基体表面上，从而形成一种特制薄层， 以提高基体表面性能的表面处理技术14 乃 。 热喷涂技术作为材料表面防护、强化及表面改性手段，具有以下优点： 1 喷涂材料嵇类多，几乎所有的金属、合盒、陶瓷都可以作为喷涂材料， i q 制成各种成分和性能的涂层。 2 可用于各种基体的表面处理。 3 可使基体保持较低温度，并可控制基体的热程度，从两保证基体不变 形。涂层厚度可控制，从几微米到几十微米，根据要求选择。 热喷涂的不足之处主要有： 1 涂层的结合强度较低，涂层的孔隙率较离。 2 对于喷涂面积小的工件喷涂沉积效率低，成本较高。 3 喷涂层的均匀性较差。 热喷焊是在喷涂过程的同时或喷涂形成之后，对会属基体和涂层进行加 热，使涂层在基体表面熔融，熔融的涂层和基体之间产生一定的相互扩散过程 而形成类似焊接连结的冶金过程。由于喷焊在喷涂过程中使工件表面同时产生 熔化层，与基体形成冶金结合，其结合力比喷涂的结合力大得多，且涂层组织 均匀，致密性好，故在表面耐磨处理中得到较广泛的应用，还可用于受冲击、 冲刷的t 件。其缺点是工件受热影响较大，易变形，不适于薄壁件及长杆件的 处理。 卜述高能束热源表面强化处理、物理气相沉积( p v d ) 、化学气相沉积( c v d ) 、 化学表面热处理( 渗碳、渗氮、碳氮共渗等) 、喷涂各种涂层材料等各种表面强 化技术均可显著提高产品的硬度、耐磨性及高温红硬性等性能，延长产品的使 用寿命。但是上述几种表面强化方法由于存在诸如设备工艺复杂、强化周期长、 5 第一章绪论 工作环境要求特殊以及设备成本、工艺成本费用高等多方面因素的限制，往往 只能用于批量生产或用于经济效益较大的零部件的生产。因而，它们的应用受 到定的限制。 本文将研究一种既能显著提高工件表面硬度和耐磨性，又具有简便、经济 和应用灵活等特点的新的表面处理工艺方法：电火花沉积处理。 1 2 电火花沉积 电火花沉积是直接利用电能的高密度能量对金属的表面进行沉积处理的工 艺。它把电极材料( 硬质合金如w c 、t i c 等) 作为工作电极( 阳极) ，氢气中使 之与被沉积的金属工件( 阴极) 之间产生火花放电，在1 0 5 1 0 - 6 s 内电极与工 件接触的部位达到8 0 0 0 2 5 0 0 0 的高温，直接利用火花放电的能量，将电极 材料转移至工作表面，构成沉积层的沉积方法 9 1 。电极材料与工件材料产生冶 金结合形成沉积层。由于形成含电极材料的合金化的表面沉积层，使工件表面 的物理性能、化学性能和力学性能得到改善，而其心部的组织和力学性能不发 生变化。经电火花沉积后，在零件表面上形成5um 2 0 0 l am 的显微硬度高达 1 1o o h v 18 0 0 1 i v 的白亮层，并存在过渡层【l 。表面沉积层与基体的结合强度高。 电火花沉积可有效提高零件表面的耐磨性、耐蚀性、热硬性和高温抗氧化性 等。电火花沉积会增大表面粗糙度和影响材料的疲劳性能。另外电火花沉积技 术还能用r 磨损工件的微量修补。在现代化的生产中，机械设备、零件维修的 重要性越来越突出。维修也是一种投资，它是与固定资产同样重要的投资。从 这个角度来说，维修也是生产力【2 。电火花表面沉积与修复能够用于己磨损的 模具、量具和机器零件的微量修补，使得设备正常运行，有着显著的经济价值。 电火花表面沉积设备及1 ：艺水平是影响其应用效果、应用范围的决定因 素。因此，进一步探讨和提高沉积设备的制造水平、工艺水平，对于扩大应用 领域，提高工艺的稳定性、可靠性和生产效率，有着非常深远的意义。 1 2 1 电火花沉积设备的发展概况 电火花沉积技术的发展概况，首先从电火花强化设备和强化工艺说起。 1 9 4 3 年，前苏联的拉扎连科夫妇提出电火花强化工艺，并很快地便及各 工业发达崮家收到了显著的效果6 1 。 6 昆明理工大学钡十学位论文 1 9 5 0 年，前苏联中央电气科学研究所研制了y j ip 系列电火花表面强化机， 中央机器与工艺学研究所也研制了me 系列电火花表面强化设备。1 9 6 4 年，摩 尔达维亚科学院应用物理研究所及所属基希涅夫实验工厂研制了手工操作和机 械化的9 巾h 系列强化机产品，在前苏联的机器制造、工具、仪器等工业部门 得到广泛应用；该厂在七十年代生产了采用可控硅和晶体管脉冲发生器的新型 3n 系列强化机产品，改变了合金化控制方法，并使用了新型操作工具。据报 道，1 9 7 8 19 7 9 年间在前苏联应用的3 7 台。中m 一7 8 型强化设备共节约资金约 4 0 万卢布【l6 1 。欧美和日本分别从五十年代和六十年代开始研究和应用电火花表 面强化工艺1 16 】，主要产品有美国制造的1 2 6 9 、t v n g c a r b 2 2 0 和f5 型，英国 制造的s p a r k c a r d ，法国制造的c a r b u m a t i g ，日本制造的d e p o s i t i o n 等。这些 设备一般为功率在2 0 0 w 以内的手工操作设备，主要用于模具和刀具的表面强 化。匈牙利、保加利亚等国也生产类似产品，特别是保加利亚专家提出了采用 独立式脉冲电源的非接触电火花强化方法，并研制了e 月中a 系列产品。进入 九十年代后，日本的电火花强化技术得到很大发展【1 7 】，研制的s p a r kd e p o 强 化设备功率较大，涂层厚度有所增加，可获得较均匀的表面强化层。 国内强化机的研制始于5 0 年代，但因条件限制，没有得到推广。7 0 年代， 困在模具和刀具 i 的应用而重新受到关注，国内一些单位进行了这方面的研制 f ：作。苏州电加工机床研究所研制了d 9 1 系列，该系列强化机后由泰州海陵电 器厂批量生产【。6 1 。近几年来，在强化机的研制上取得了新的进展，航空第一集 训f 属的西安庆安集团有限公司研制出了一种z s - 1 1 6 型号的电火花强化机j ， 特点是电流调节范围的大，可用于多种电火花强化工艺；中国农机院所研制出 了一种新型脉冲发电电火花表面沉积设备，特点是采用先进的功率开关元件 i b g t 控制设备的充放电过程，并设计了一套控制电路，使放电能量大为提高， 工艺过程更加稳定可靠。另外，采用了旋转电极，且每一次放电能量一致，从 而提高了沉积层的质量和厚度，降低了表面粗糙度【l8 1 。电火花沉积所采用的新 型设备与日本及国产强化机性能比较如表1 1 2 4 1 , 由表卜1 可以看出，不管是设备功率还是强化层厚度，新型设备的性能都 大大得到提高。相对于传统电火花强化层来说，它能获得厚度较厚、沉积层较 均匀、硬度较高、耐磨性较好的沉积层。 第一章绪论 表1 1 新型设备与日本及国产强化机性能比较 比较性能新型设备日产设备国产设备 功率( w ) 1 4 0 09 0 0 1 2 0 06 0 1 6 0 电极运动方式旋转旋转旋转 强化材料碳化物等碳化物等w c c o 等 气体保护氩气氩气 涂层厚度( 舯)么2 0 0么1 5 0么3 0 涂层表面连续涂层连续涂层点堆积 1 2 2 电火花沉积的研究现状 要研究电火花表面沉积，应该从电腐蚀现象开始。 早在l 9 世纪初，电腐蚀放电现象就被人们所发现。例如在电插头或电触 开关的触点接触或断开时，电火花放电往往把接触表面烧毛、腐蚀成粗糙不平 的凹坑而逐渐损坏。长期以来电腐蚀一直被认为是一种有害的现象，人们不断 的研究电腐蚀的原因并设法减轻和避免电腐蚀f 2 12 2 1 。 研究结果表明，电火花腐蚀的原因是：电火花放电时，放电通道在瞬时产 乍大量的热能达到很高的温度，足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除 掉，形成放电凹坑，人们在研究抗腐蚀办法的同时，开始研究利用电腐蚀对金 属材料进行加工和利用。 2 u 世纪4 0 年代，前苏联利用工具和工件之间的火花放电，把金属蚀除下 来，称为电蚀加工。日本、英、美等国家随之进行大量的研究，称为电火花加 工( e l e c t r i c a ldjs c h a r g em a c h i n i n g 简称e d m ) 。2 0 世纪5 0 年代，前苏联利 用电极和工件之间的放电进行工件的表面强化和修复，称之为电火花强化 ( 刚e c t r ic a lo is c h a r g e h a r d e n i n g 简称e d h ) 1 2 1 2 2 1 。 传统电火花表面强化理论的研究，国外许多学者作了比较广泛的研究。前 苏联学者研究了强化层最可能的基本形式并得到了影响最佳强化效果的一些结 论，认为最有前途的改善表面质量的方法是减少单个脉冲能量、采用非接触火 花放电系统和保证必要的生产率的高频独立式脉冲发生器【1 6 】。最近出现的电火 花沉积( e 1e c t r o - - s p a r kd e p o s i t i o n ) 新工艺是从传统工艺基础上发展起来的， 昆明理工大学顿十学位论文 这种新工艺被国内外工业界接受和应用，也才是最近的事。在理沦研究及其应用 方面，国外许多学者也作了一定研究。e l e v a s h o v 等人用高清晰度电子显微镜、 x 射线光电子谱进行对铝合金沉积层的微观结构和化学成分进行了分析i ”l 。荷 兰李正魏等人研究了t i 3 a 1 一n b 合金的沉积层及沉积层的抗高温氧化性。 r e y n o l d sj r 等研究了电火花沉积是一个微焊接过程，基体受到很小影响，不 会发生组织结构的变化。在l o o k t e c k 上报道电火花沉积时沉积点温度最高可达 2 5 0 0 0 ，但在母材上没有热量积聚，散热很快。k pn g w e n y a 等人研究了 f e - c ra 1 一r u 合金的沉积层的微观结构和化学成分。香港l i a n g ，j 等人研究了 电火花沉积层的耐腐蚀性。日本报导电火花沉积成功应用到凹模上。这些研究 工作有力地促进了该项技术的发展。 国内传统工艺电火花表面强化的理论研究已有一些，原机械部第八设计研 究院、浙江大学、原山东工业大学、天津机床工业研究所等部门在强化机理和 应用方面也作了大量的工作。为了在使用中能获得最佳强化过程，并事先预测 强化层的特性，就必须知道影响强化层的相结构、物理一化学性能、应力状态和 它的硬度、粗糙度、耐磨性、高温稳定性的各种因素，这些因素包括电极材料、 介质成分、电气规准、电极振动方式等，许多学者都对这些有关强化性能的因 素都进行了广泛深入的实验和研究。但关于新型电火花沉积工艺的应用方面的 报道有一点，不是很多，理论方面的的研究国内报道更少。中国科学网站报道过 电火花沉积不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 后沉积层的抗高温氧化性。辽宁赵树萍编译的有 关电火花沉积涂层厚度及表面光洁度的分析。黄小欧的电火花沉积金属陶瓷材 料酬铝液热浸蚀研究。这些研究不系统不全面，对沉积工艺、沉积机理、沉积 层组织结构的研究很少。 由于电火花沉积工艺的实用性很强，现今，电火花沉积工艺在电力、汽车、 造纸、纺织、机床等行业己经得到了一些成功的应用，使用的对象有刀具、模 具、造纸烘缸( 电镀表面) 、机床部件等零件【2 9 1 ，但其理论研究落后于其实际 生产应用，为了使这项新的工艺得到更好的成功应用和不断发展。本文针对其 理论研究及其一些应用做了一些探讨。 1 2 3 电火花沉积的发展趋势 随着t 业的发展，对工具、模具等零部件及设备等的性能和使用寿命要求 越来越高，为了满足新工艺、新技术的要求，电火花沉积应在以下几个方面重 9 第一章绪论 点发展： ( 1 ) 深入研究沉积的机理，提高沉积层的质量和沉积效率；研究不同电 极材料的沉积层形成规律、特性、组织状态、相结构和应力分布以及沉积层的 均匀性和连续性与功率能量的关系；在此基础匕，更进一步研究沉积层的特殊 性能。 ( 2 ) 实验研究不同材料和工件的沉积工艺参数：通过选择和控制电火花 沉积参数来获得最佳沉积层质量；同沉积表面，应用多种电极材料沉积的工 艺；复合沉积工艺，如激光一电火花沉积、电刷镀一电火花沉积。这将使电火花 沉积的工艺获得更强的生命力。 ( 3 ) l f ：发更为新型的电火花沉积设备。由于电火花沉积设备性能对沉积 层的厚度和质量影响非常大，虽然目前的沉积设备相对传统的强化机来说，沉 积层已较厚，但对于有些其它表面处理方法来说，电火花沉积设备都是手工操 作的小功率设备，效率低，沉积层薄且均匀性差，所以今后的发展应该是制造 大功率、毫米级沉积层厚度、高效率、机械化和自动化的设备。 ( 4 ) 扩大应用领域。除了在机械制造、电机、电器、轻工、交通、纺织、 化工、农业机械等行业的各类工具、模具、零部件上广泛应用外，还应在冶金、 电力、医疗器械等行业中推广应用。尤其是冶金行业的各种轧辊、发电行业的 发电叶轮等的表面沉积和修复，前景十分广阔。 这些研究工作的目的是在现有的基础上进一步提高工艺的稳定性、可靠性 及生产效率，并适应更多零件的沉积要求。 1 2 4 电火花沉积的特点 电火花沉积处理与常规表面化学热处理，高能束表面强化，喷涂等表面强 化工艺相比较，具有许多特点，这些特点为 1 2 2 4 2 5 ： 1 电火花沉积是在空气或氨气中进行，不需要特殊、复杂的处理装置和 设施，如真空系统或特制的容器等，因此工艺设备简单。电火花沉积设备没有 传动机构、工作台等机械构件，携带方便，使用灵活，设备投资和运行费用低， 这也是沉积工艺能够被广泛地推广应用的有利因素。 2 可对零件、设备表面施行局部沉积，也可对般几何形状的平面或曲 面进行沉积，比如刀具，模具和机械零件，对刃口和易磨损部位进行沉积处理， 能达到提高硬度和耐磨性的目的。 1n 昆明理工人学硕上学位论文 3 不会使工件退火或热变形。电火花沉积时虽然在放电瞬时能使材料熔化， 以至形成汽化的高温。但是，由于放电时间很短，放电点的面积又很小，因此 放电的热作用只发生在工件表面的微小区域。就整个工件来说，仍处于常温状 态或温升较低，1 件不会退火或热变形。 4 沉积层与基体的结合非常牢固，不会发生剥落。因为沉积层是电极和 工件材料在放电时的瞬时高温高压条件下重新合金化而形成的新合金层，它们 是冶金结合，而不是电极材料简单的涂覆和堆积。 5 电极材料可以根据用途自由选择。对于沉积设备、模具以提高耐磨性 为目的的沉积，可选用y g 类硬质合金，能形成高硬度、高耐磨、抗腐蚀的沉积 层。而以修复机器零件已磨损部位为目的沉积，可采用碳素钢、紫铜、黄铜等 材料作为电极，这些材料来源比较广，而且材料消耗量也很少。 6 ，沉积层厚度、沉积层质量与沉积参数电压、功率、频率、时间等操作因素 有关，因此可通过对沉积参数的调节和沉积时问的控制来获得不同的工艺效果。 电火花沉积处理后工件可作最终工序使用，即使要求加工，加工余量也很小， 只需用油石、锉刀等手工工具进行钳工修理即可，可在生产现场操作，不需拆 卸被修复件，省时省力。 7 操作方法容易掌握，不需要技术等级高的操作人员；不会产生有毒气 体，液体等环境污染物，噪音小。 1 3 研究内容及方法 本文试图从1 2 3 上节所述电火花表面沉积存在的问题几个方面进行 探讨与研究，以进一步提高电火花表面沉积工艺的稳定性、可靠性和生产效率， 使电火花沉积工艺得到更广泛的应用。 ( 一)具体研究内容为：为了深入研究沉积机理与沉积层的特性，寻求高效、 稳定、可靠的沉积工艺，本文将采用w c 电极材料来沉积3 c r 2 w s v 钢、h 1 3 钢、 不锈钢1 c r l 8 n i 9 t i 、6 c r l 5 等工件材料，具体研究内容为： 1 进一步研究沉积层的形成规律及特性。 2 沉积层的结构与合金元素的分布及沉积的机理：采用x 射线衍射仪来 确定沉积层的物相组成及定性分析合金元素的种类，采用扫描电镜定量分析合 金元素的含量及线扫描分析合金元素自沉积层表面至工件基体的分布状况。 3 沉积层的厚度与电规准( 功率、频率、电压) 及比沉积时间之间的关系： 第一章绪论 采用1 i 同的比沉积时问，不同的电压u ( 6 0 v 、l o o v ) 及不同的功率p ( 2 0 0 w 、 4 0 0 w 、8 0 0 w 、1 0 0 0 w 、1 2 0 0 w 、1 4 0 0 w ) 和不同的频率( 高频率7 0 0 h z 、中频率 3 7 5 h z 、低频率5 0 h z ) 分别组合进行表面沉积，用金相腐蚀法测量沉积层的厚 度，以寻求最优沉积工艺。 4 沉积层的硬度、耐磨性：用显微硬度计测沉积层表面硬度；采用滚动 摩擦的方法来测量沉积层的耐磨性：采用沉积过的工件与未沉积过的工件进行 对磨。 5 寻求电火化表面沉积的优化工艺。 ( 二) 测试手段 显微硬度训、千分尺、分析天平、磨损实验机、x 射线衍射仪、扫描电子 显微镜、光学显微镜。 昆明理t 大学 i l ；11 。学位论文 第二章电火花沉积原理及沉积设备 2 i 电火花表面沉积原理与特点 金属电火花表面沉积原理是将电源存储的高能量电能，在金属电极( 阳极) 与金属母材( 阴极) 闻瞬间高频释放，通过电极材料与母材间的空气电离，形 成通道，使母材表面产生瞬间高温、高压微区：同时离子态的电极材料在微电 场的作用下融渗到母材基体，形成冶会结合【27 1 。这样就使金属表层重新合金化， 提高了工件表面硬度、强度和耐磨性等性能。 为了了解电火花沉积的原理，首先观察一下电火花沉积设备是怎样工作的。 2 一l 新型设备脉冲放电电源主回路电气原理图 脉冲放电电火花表面沉积设备主要包括脉冲电源和电极转动装置两部分， 脉冲电源开始时使用r c 、r c c 、l c 等驰张式电路，后来发展到用可控硅、晶 体管等开关元件来控制脉冲放电过程的可控脉冲电路。这些电路各有优缺点， 驰张式电路由于脉冲放电波具有随机性，工作状态不稳定，放电能量不均匀， 处理后的工件表面质量较差；可控硅( i b g 3 ) 控制电路可以获得比较稳定放电 脉冲，提高了工件表面质量，但由予开关元件的因素，限制了单个脉冲放电能 量的提高，因而强化层较薄，强化效率低。为了进一步改善强化设备的性能， 所研制出的新型脉冲电火花沉积设备，该设备的主要特点是采用先进的功率开 关元件j g b t 控制设备的充放电过程，并设计了一套控制电路，使放电能量大 为提高，沉积过程更加稳定可靠，获得了比较满意的沉积质量。新型设备所采 用的功率开关元件i g b t 是一种性能非常优良的新型功率开关元件，具有良好 的道通特性，且l 司高电压、大电流、高频率的扩展也较容易。由此可提高设备 的沉积功率及脉冲频率，改善设备工作稳定性。新设备脉冲放电电源主回路电 气原理如图2 一l 所示。 电源回路采用变压嚣变压、金波整流、电容器滤波来实现从交流到直流的 1 3 第二章电火花沉积原理及优积设备 变换，转换电路检测沉积电路两端的电压并转换成控制电路可识别的信号。初 始时直流电源对电容充电，当电容两端电压达到预定值时，控制电路向i g b t 驱动电路发出信号，关断i g b t l ，开启i g b t 2 ，开始放电过程；当电容端电压 下降至一极小预定值，电路控制i g b t 2 关断，i g b t l 开启，开始下一次充放电 过程。这样就实现了在保证脉冲放电的能量卜的前提下，以最高速度沉积的目 的。由了二直流电源的电压( 充电电压) 远高于放电电压( 沉积电压) ，从而大幅 度缩短了充电时间，进一步提高了沉积速度。另外，由于采用旋转电极。且每 一次放电的脉冲能量一致，从而提高了沉积层质量【2 ”。 在l ：作时，电极作高速旋转，当电极还没有接触到工件的时候，电源通过 限流电阻向电容器充电，电极与工件之间的状态如图2 2 a 所示：其中箭头表 示菜时刻电极振动的方向。接着因为电极向工件运动而无限接近工件，使放电 l 叫路形成通路，在火花放电通路和相互接触的微小区域内将瞬时地流过放电电 流，电流密度高达10 5 1 0 6 a c m 2 ，而放电时间仅为几微秒到几毫秒。由于放 电能量在时阃上和空间上的高度集中，在放电微小区域内产生了约8 0 0 0 2 5 0 0 0 。c 的高温，使该区域的基体向周围介质中溅射【2 。这种情况如图2 2 b 所示。 此时电极继续向下运动，使电极和工件上熔化了的材料挤压在一起，由于接触 面积扩大和放电电流减小，使接触区域的电流密度急剧下降，同时接触怠阻也 明显减小，因此电能不再使接触部分发热。相反，由于空气介质和金属工件基 体的冷却作用，熔融的材料被迅速冷却而凝固。接着冷凝的材料脱离电极而粘 接各工件上，成为j r 件表面上的沉积点。同时，因放电回路被断开，电源重新 刘电容器充电，这就是电火花沉积设备的一次充放电的过程。重复这个充放电 过程并移动电极的位置，沉积点就相互重叠和融合，在工件表面形成一层沉积 层1 2 6 1 。 电极口i 同 a j 图2 2 电火花沉积过程的电极状态 a ) 电极移向工件b ) 火花放电c ) 电极挤压熔化区d ) 电极离开工件 i一一 日口 17一一 昌曲 ，一 一 壁曲 昆明理t 大学硕士学位论文 电火花沉积工艺之所以提高工件表面的性能，不仅仅是能够形成沉积层， 而更重要的是所形成的沉积层的特性。采用电子显微镜、x 射线等现代科学仪 器对沉积层进行分析的结果表明，当使用w c 硬质合金材料作电极沉积合金工 具镧时，沉积层是由电极和工件材料所形成的具有特殊结构的新合金层，它的 显微硬度高达h v l l 0 0 以上：在7 0 0 8 0 0 。c 的高温下，沉积层仍然保持较高的 硬度，耐磨性也得到明显提高1 4 0 。 因此，电火花沉积的原理简单地来说就是壹接利用电火花的能量，便电极 材料存工件表面形成特殊性质的合金层。 除了形成合金层外，电火花沉积改善了工件表面性能，还有另外一些原因， 比如，火花放电的骤冷作用具有表面淬火的效果t 5 2 5 1 。 卜面将讨论电火花表面沉积的沉积过程。 上面从电极的周期性运动规律来说明每次放电的过程。在此，将以放电现 象的产生和放电过程迸一步分析沉积的过程【2 63 3 3 钔。 充放电周期由t l 、t 2 和t 3 三个部分组成。t l 是电容器充电时间，因此与电