电火花沉积层组织结构的研究毕业设计说明书.doc

目 录摘 要IAbstractII第一章 绪 论11.1 选题的背景及意义11.1.1 化学热处理技术11.1.2 电刷镀技术21.1.3 热喷涂技术41.1.4 气相沉积镀膜71.2 电火花沉积81.2.1 电火花沉积工艺的发展概况91.2.2 电火花沉积的理论研究现状101.2.3 电火花沉积工艺的发展趋势121.3研究内容及方法131.3.1 研究内容131.3.2 测试工具13第二章 电火花沉积原理及沉积设备142.1 电火花沉积原理、过程及特点142.1.1 电火花沉积原理142.1.2 电火花表面强化的沉积过程142.1.3 电火花沉积强化的特点152.2 沉积设备的结构162.3 电火花沉积材料的选择17第三章 实验过程及分析193.1 表面预处理193.2 基材的选取与制备203.2.1 试样沉积213.2.2 沉积层线切割223.2.3 镶样处理233.2.4 后期处理243.3 实验方法253.4 实验结果与分析273.4.1 电火花沉积层显微观察273.4.2 电火花沉积层成分分析283.4.3 电火花沉积层相结构分析29 3.4.4 电火花沉积层随时间变化规律.293.6 本章小结30第四章 结 论32参考文献33致 谢35附录一 任务书36附录二 开题报告39附录三 中文译文47附录四 外文原文5538 / 42 摘 要 本文通过采用新型电火花沉积设备，以WC-Co硬质合金为电极材料，以H13钢为基体材料进行电火花沉积工艺实验。通过工艺试验，研究沉积时间对沉积层厚度的影响规律，用X射线衍射仪分析沉积层的组织结构，通过硬度实验和抗磨损实验测定沉积层的硬度和抗磨损性能，得出电火花沉积时间对沉积层相结构产生影响。 由实验结果分析可知，基材（H13钢）在随时间变化沉积时，沉积层厚度并不是随着时间的延长而无限增厚,达到一定厚度后延长沉积时间反而会使沉积层变薄；通过金相照片可以看见白亮层情况恶化，沉积层破碎减薄,孔隙较多,产生撕裂、碎化的倾向更严重,有的地方出现脱落现象,沉积层质量较差；经过电火花沉积强化后，沉积层的硬度和抗磨损性能提高。电火花沉积后组成工件和电极的各元素均发生扩散和移动，在极短的时间内形成分布，工件元素和电极元素呈一定的梯度分布。 关键词: 电火花沉积； WC-Co沉积层；沉积层厚度；沉积时间 Abstract The new spark deposition equipment uses WC-Co carbide as electrode materials, and H13 steel as substrate material to make spark deposition process experiments,which leads to a more in-depth study about the organizational structure of the electric spark deposition layer. Through the process test, effect of deposition time on deposition layer thickness,microstructure of deposited layer by X ray diffraction,hardness and wear resistance of the experimental determination of the hardness of deposited layer experiment and wear resistance,the electric spark deposition time impact on phase structure of sedimentary layer. From the analysis of experimental results,the substrate(H13steel)in the change with time of deposition,deposition layer thickness and not with the extension of time and infinite thickening,prolong the deposition time reaches a certain thickness but will make the deposition layer becomes thinner;through metallographic photos can see white bright layer condition worsens,sedimentary layer breaking thinning,pore more,have a propensity to tearing,breaking the more serious,shedding phenomenon appeared in some places,the poor quality of the deposition layer;After the electric spark deposition strengthening,coating hardness and abrasion resistance.The elemental composition of workpiece and electrode spark deposition occurred after the diffusion and distribution of mobile,formed in a very short period of time,a certain gradient distribution of workpiece and electrode elements are elements. Key words： spark deposition; WC-Co coatings；Sediment thickness; deposition time 第一章 绪 论1.1 选题的背景及意义 自改革开放以来，工业技术的发展极大的推动了我国经济的崛起。其中，在各表面加工行业中，设备的表面由于长期接触高温高压，雨雪天气，以及高速重载等相对恶劣的环境中，因此一些大型设备和关键设备的部件很容易收到侵蚀、磨损和破坏，对生产加工的进度和精度等产生了极大的影响，也影响了经济效益。在以往，由于工具的加工表面以及一些细微零件的表面磨损失效，腐蚀，开裂等引起产品不合格的事故时有发生。因此，对于设备的表面，各行业都非常重视其性能，对其性能也提出了相当高的要求。因此，为了增加经济效益，提高产品的质量和性能，以及工具的寿命，对加工工具和零件的表面进行强化处理已经迫在眉睫，各行业也急需这方面技术的研究。在传统的表面加工工艺研究中，很难达到目前加工行业的要求水准，一种崭新的表面强化处理技术呼之欲出。出现的技术之一是零件表面强化处理，这可以有效的提高零件和加工工具的使用寿命和实用性。在这技术当中，激光、电子束表面处理，等离子表面熔敷，电刷度，热喷涂，电火花沉积等都可以提高零件的耐磨性和可靠性，对于经济效益和规模效益的提升也是显而易见的，因此得到了充分的开发和应用。 在这些表面处理方法中，主要包括化学热处理技术、电刷镀技术、热喷涂技术、气相沉积镀膜技术等；近几十年中发展起来的表面处理技术包括电火花沉积、热喷涂、TD处理等都具有自己的优势和特色。面对众多的表面处理技术，如何选择成为一个问题，因此，选择一种技术性和经济性相结合的表面强化技术已成为重中之重。1.1.1 化学热处理技术 化学热处理是一种金属热处理工艺，目的是为了使零件的表层成分和组织结构发生变化，一般采用的是化学反应，有时候也使用物理方法进行辅助，最终使材料达到更好的技术经济效益。一般来说，很多的零件和加工工具长时间工作在相对比较恶劣的环境，如雨雪环境、高温、高压等，很容易引起零件表面发生化学变化，从而导致零件表层磨损、开裂、腐蚀等问题，从而使零件失效，加工精度降低。经过化学热处理后的零件表层由于发生了结构和成分的变化，相当于把表层替换成了一种新的深入合金元素的的物质材料，而底部仍然是原始的母材。由于底部和心部之间结合紧密，耐磨性和实用性均得以提升，所以相对于电镀等表面复护技术更具有优势，性能也更好。 化学热处理的方法有很多，应该根据性能的需要以及综合经济性等各方面的影响因素来综合选取。一般来讲，热处理的方法可用渗入元素来命名，如渗铝、渗氮、渗碳、渗硼、渗硫等，也可以形成的化合物来命名，如硫氰共渗、碳氮共渗、碳（氮）化钛覆盖等。渗入不同的元素会产生不同的效果，所以应根据实际情况来进行选择。如要提高零件的耐磨性，可以考虑渗氮或者渗碳，既可以满足质量的要求，又比较节省资本投入。对于零件尺寸要求条件比较苛刻时，可以考虑渗氮处理，在低温550左右的条件下进行，可大大提高尺寸精度的要求，但是渗氮层的堆积比较缓慢，所需时间比较长，因此也是一种不是很经济的方法。 化学热处理的效果：1、疲劳强度的提升。利用渗碳、渗氮等表面热处理工艺，可以有效的提高零件的疲劳强度，在零件表面强化的同时形成残余压应力。2、抗蚀性和抗高温氧化性的提高。零件暴露在外，往往在空气中收到腐蚀，而采用渗氮技术则可提高其耐腐蚀性能；同时，为了得到稳定的保护膜，可以对钢件进行渗铬、渗铝等可有效提高温、抗氧化性。3、耐磨性的改善。不同的钢件采用化学热处理后会得到不同的组织，例如，为了获得合金钢件的弥散硬化表层，也可用渗氮方法可实现；为了得到高碳马氏体硬化表层，可以考虑采用钢件渗碳淬火法。运用这些方法得到的表层厚度可以达到相当强的硬度。为了得到较高的耐磨性，也可在钢件表面形成抗粘结薄膜，减磨等降低磨损程度。 化学热处理工艺包括参数的确定，化学成分和比例的确定，工件的准备，渗透温度和时间，渗透分解反应过程控制，渗透程序和热处理后冷却，工件的化学清理，装炉量等等。在渗碳中，按照渗碳剂的不同，具体可划分为气体渗、固体渗和液体渗碳，在实际加工生产过程中，体渗较为常用。渗碳零件必须淬火和回火，经过渗碳处理后，零件的抗疲劳性和韧性得以提高，同时，表面强度和耐磨性也更好。渗碳过程中，应用范围的优点和缺点主要有：气体渗碳操作方便，具有较高的生产效率，易于控制渗碳淬火后渗层的质量，具有广泛的应用前景，可用于大规模生产，但需要操作很长一段时间；液体渗碳操作简单，快速加热，渗碳，淬火，直接适用于大批量生产，但大多数的渗碳剂是有毒的，如果工件表面沾有剩余的盐，是需要清理的;固体渗碳时间长，工作条件差，控制层质量差，只适合适合小批量生产。1.1.2 电刷镀技术 电刷镀（electrochemical machining ），是一种在工件表面利用电解的方法获取镀层的加工过程。通过电刷镀加工，加工工件的耐磨性、耐腐蚀性、外观性等得以改善，表面性能得以强化和提高，另一方面，表层的物理性能，如特殊光、电、磁、热性能也得到改善，同时在机械配合、改变工件尺寸以及修复磨损、超差而报废的工件等方面也有着特殊的功效，因此，这一技术被广泛应用在工业中。 电刷镀技术是一种电化学镀覆技术，加工过程中不需要镀槽，其基本原理如图1。电刷镀的设备主要由刷镀液、镀笔和电源组成，在工作时，刷镀时的阳极，也就是直流电源的电极接镀笔；刷镀时的阴极，也就是工件，要接电源的负极。在加工过程中，沉积过程不能连续进行，工件要与裹着浸满镀液包布的镀笔以一定的压力相接触，在一定得电流和电压环境下，两者做相对运动，这样就利用了电镀液中的非金属阳离子或金属在工件相接触的部位产生极化反应，从而发生电化学沉积，经过堆积形成镀层1。VA电源电镀笔手柄阳极电刷镀液工件电镀液收集盘+图1-1 电刷镀技术示意图 电刷镀表面改性技术在镀层的快速高效沉积方面具有一定的优势，其优点包括：1、维修质量优异，工件不易变形，金相组织也不容易发生变化；2、沉积速度快，利用效率高，生产率也得到提升；3、设备轻便，可以在工件现场随意的移动，能够解决一些大型、重型零件修复的难题；4、镀层的种类繁多，可用于铜、铁、金、锡等金属的刷镀，也可沉积多用途的合金镀层，单金属以及组合镀层等，用途广泛，并且加工后不需要机械加工，非常方便； 然而，电刷镀技术的应用也有一定的限制，也有其局限性，其缺点包括：1、加工过程中的电源必须是专用的，有严格的限定；2、高强度钢的电刷镀加工过程后，为了避免氢脆的发生必须在加工结束后进行烘烤；3、被刷镀面具有一定的形状，阳极的工作面应尽量与其一致，因此需要根据镀件表面的形状把电镀笔制成相应的样式，过程较为复杂；4、电解液在现场修复时不易收集，有些电解液是有毒的，这些有毒的电解液从工件表面流落到地面上，会对土壤造成污染。1.1.3热喷涂技术 热喷涂技术，是一种将非金属或金属喷涂材料在燃烧能、电能等热源的作用下达到熔化或半熔化状态，并以较快的速度喷射沉积，在基体表面形成涂层的技术。经过热喷涂技术处理，材料的表面形成了一个独特的工作表面，其耐磨性、耐腐蚀性、抗氧化性等均得到提升，不仅节省能源，也节约了材料，提升了材料的使用寿命和利用效率。 热喷涂技术作为一种材料表面加工技术，在改善零件表面性能方面具有的优点有：1、基体的热温度可控，可以使基体的温度不至于过高，从而零件不至于变形；2、由于涂层的厚度可控，因此可以根据需求进行选择；3、一些合金，陶瓷，以及众多的金属均可作为喷涂材料，所以可用于喷涂材料种类繁多，图层的成分和性能能够均可制备，可用于各种基体的表面加工处理。 然而，热喷涂技术也具有一些不容忽视的缺点，在其应用方面也有一定的局限性。其缺点主要有：1、操作者必须要有一定的防护装置。在热喷涂加工过程中，操作者需要穿戴特殊的呼吸装置或者防护面具，因为工作过程中空气中会有大量的粉尘，这些粉尘是由喷射到基体上的熔融涂粒转化而来。另外，操作者还需要穿戴眼睛、耳朵保护装置，因为空气中不仅有粉尘，还有很强的紫外线辐射、电弧以及强烈的光等，同时噪声也比较大，所以这样的防护措施对于操作者来说是必不可少的。2、残余应力的影响。热喷涂加工过程中涂层内会产生产生残余应力。残余应力的产生是由于快速运动的融粒在撞向基体时，温度快速降低而收缩，以至于形成的图层内部会产生一定的残余应力。因此，热喷涂处理后应对涂层做相应的消除残余应力的处理。3、喷涂层的均匀性比较差，且图层的孔隙率很高，结合强度不高，对于一些小面积的喷涂来说，经济性较差。热喷涂技术主要可分为以下三种： （一）电弧喷涂 电弧喷涂是利用高速气流对雾化的金属离子进行加速，使这些高速离子喷向工件表面形成涂层的加工技术。在加工过程中，金属熔化的热源来源于需要依靠两根连续送进的金属丝的燃烧所产生的电弧，熔化的金属可以在高速气流中雾化。也就是说，电弧喷涂的热源为电弧，预处理后的工件表面经过雾化的熔化例子高速撞击形成涂层。在电弧喷涂系统一般包括电弧喷枪，控制装置，送丝机，以及专用电源等。电弧喷涂工艺经过不断的发展革新，已经可以制造出高质量的涂层，其性能甚至比等离子喷涂更为优异。电弧喷涂的特点:1、安全性能高 电弧喷涂加工过程中，不需要使用乙炔、氢气、氧气等易爆气体，因此安全性方面有保证，所以此技术方法在基础设施如栏杆、长梁等修复中得到较多的青睐。电弧喷涂工艺是一种较为常见的合金喷涂工艺，广泛应用于实际应用工程中钢结构防腐蚀，机器零件修复等，由于其优异的防腐蚀性，所以在一些军事机械的修复工程中的应用也较为普遍。2、方便现场修复 电弧喷涂设备可以手持，不是很复杂，只有送丝机，电源以及干净的压缩空气机等，简便易行。 1-直流电源 2-丝盘 3-金属丝 4-送丝滚轮 5-导电 6-导电嘴 7-空气喷嘴 8-压缩空气 9-电弧 10-喷涂粒子流 11-涂层 12-工件 图1-2 电弧喷涂示意图（2） 火焰喷涂 火焰喷涂加工常常采用乙炔-氧气作为热源，在工作过程当中，喷枪料斗中的粉末从进粉口流向乙炔-氧气燃烧的焰流中心区，在气流的推动作用下，熔化或半熔化状态下的粉末持续不断的沉积到基体的表面，从而在基体表面形成连续的涂层。火焰喷涂可以广泛应用于喷涂锌、铝、低熔点合金以及轴承合金等，并且此工艺的花费相对较少。上世纪八十年代，超音速火焰喷涂工艺逐渐发展起来。它是基于普通火焰喷涂工艺的一种新型加工工艺，与传统的火焰喷涂相比，其火焰流速度可达超音速，并且能以很高的速度喷射到预处理后的基体表面形成涂层，因此孔隙率低，硬度较好，组织细化，涂层与基体的结合也更为紧密，耐磨性更高。然而，喷涂过程中喷枪堵塞也成为这一工艺要解决的一大难题。 图1-3 火焰喷涂示意图（三）等离子喷涂 等离子喷涂工艺（plasma spraying ）是一种能在预处理后的基体表面形成一层特殊性能涂层的加工工艺，在加工过程中，金属或非金属粉末在等离子弧焰流中被加热到熔融或半熔融状态后随等离子焰流运动，高速喷射到工件表面上，形成特殊涂层。特殊涂层具有良好的耐磨性、耐腐蚀性、导电性、耐高温性等性能，工艺很容易控制且重复性优良。等离子弧焰流中心温度很高，能达到30000K以上，因此作为喷涂材料必须保证在高温下不分解才可以形成涂层。 等离子喷涂工艺具有以下特点:1、工艺稳定性良好。在喷涂加工过程中，电流、电压、送粉量等都易于控制，方便可行。2、喷涂的质量有保障。等离子喷涂形成的特出涂层孔隙率较低，结合强度大。3、工件不易变形。能量输入不大，所以工件不容易变形，而且由于加工过程中工件温度可以控制在2500以下，故原热处理性质以及基体组织也不会发生较大的改变。 图1-4 等离子喷涂1.1.4 气相沉积镀膜 等离子喷涂气相沉积技术（vapor deposition ），是利用气相原子或分子在真空中发生的物理化学变化，在基体材料的的表面形成具有特殊的金属或涂层的技术。气相沉积主要包括CVD（化学气相沉积）和PVD（物理气相沉积）。利用气相沉积技术，可对一些金属进行装饰镀膜，为金属表面镀一层外观良好的金属膜；可以在高速钢表层制备耐磨、耐腐蚀、耐氧化的TIC薄膜；也可制备光敏、光电转换、热敏等功能性薄膜。1、CVD（化学气相沉积） CVD是Chemical Vapor Deposition的缩写，是利用碳氢化合物、氢气与气化的金属盐在高温的基体接触后发生化学反应，在基体表面沉积金属间或金属化合物的一种加工工艺。这种加工工艺广泛应用在大规模集成电路中，经过化学气相沉积处理后，表面处理膜的密着性得以提高，同时也可防止拉伸、弯曲等产生的划痕。由于热力学条件的限定，一般反应的温度较高，因此CVD的应用范围受到了一定的限制。另外，很多CVD处理的工具需要重新加热，并且此工艺经过气密减压反应容器后的排出物有害人类的身体健康，也会污染环境。2、 PVD（物理气相沉积） PVD（物理气相沉积），是Physical Vapor Deposition的缩写，是指在真空环境中，采取大电流、低电压电弧放电技术，利用各种物理方法产生的原子或分子沉积在基体的表面形成特殊的涂层或薄膜的一种加工工艺。为了得到具有良好耐腐蚀性、耐磨性以及耐热性等的超硬化合物涂层，可以在PVD处理过程中使用不同的的蒸发物质和反应气体。物理气相沉积需要蒸发源，真空等离子系统等，由于设备的价格较高，因此只适于济效益较大的工件或者小型工件的处理。上述PVD（物理气相沉积）、CVD（化学气相沉积）、化学表面热处理、热喷涂等表面强化加工工艺均可以提高零件的耐磨性、耐腐蚀性以及硬度等性能，可以提高产品的使用寿命。然而，上述几种表面强化方法也存在各种各样的缺陷，如设备成本费用高昂，工作周期长，工艺复杂等许多方面的问题，因此常适用于经济效益大或者批量生产的零件，应用的规模有限。与上述表面强化方法相比，电火花沉积处理作为一种新的表面处理工艺方法，是一种集经济性、简便性以及灵活性于一体的加工工艺，同时又可以显著提高工件的耐磨性和表面硬度。电火花沉积技术作为一种表面强化工艺,具有独特的的优点，如强化层与母材通过冶金结合，加工过程中热输入量低，电极材料也容易选择等，由于上述独特的优势，电火花加工工艺在各领域都得到了广泛的推广和应用。本文旨在研究电火花表面强化技术，并通过实验分析研究其组织结构和性能。1.2 电火花沉积 电火花沉积（Elector Spark Deposition），是一种对金属表面进行沉积处理的加工工艺，它利用的是具有高密度能量的电能，使电极材料和工件材料产生冶金结合从而形成沉积层。在加工过程中，硬质合金如TIC、WC等电极材料作为阳极，也就是工作电极，金属工件作为阴极，利用氢气中阳极和阴极之间的电火花放电作用产生的高能量，在极短的时间内（10-510-6s）使相接触的部位达到800025000的高温，火花放电的能量能够将电极材料移动到基体的工作表面，从而形成沉积层。经过电火花加工后，形成的沉积层具有特殊的作用，心部的组织和力学性能没有改变，但是工件表面的化学性能、力学性能以及物理性能均得到提高，并且沉积层与基体的结合也非常紧密。在工件表面，甚至能形成显微硬度高达10001700HV的白亮层，同时还有过渡层形成。经过电火花沉积，零件的表面粗糙度增大，抗疲劳性能有所提高，并且零件的耐磨性、高温抗氧化性、耐腐蚀性以及硬度等有效提升，此外，电火花加工还可以在磨损工件的微量修补方面得到应用。 在现代化的生产加工中，维修的重要性与固定资产的重要性不分伯仲，零件的维修以及机械设备的修复等变得越来越重要，可以说，维修是一种生产力。为了提升经济价值，已磨损的机器零件、模具等的微量修补过程中不应该花费更多的资金去实现，而利用电火花加工，很好的的达到了技术性和经济性的结合。 电火花沉积技术是一种星新材料表面强化技术，在提高零件表面耐腐蚀性、耐磨性、耐氧化性方面具有独特的技术优势，不仅可以用于刀具、模具以及各种工具等工艺，而且在一些军事机械以及核反应堆等高端零件上面的应用也具有非常良好的前景。电火花沉积技术操作较为简便，能够降低资源的消耗，延长设备的使用寿命，再加上加工成本较低，因此目前在工程领域内它已经成为一种举足轻重的再造技术。电火花沉积的应用效果和应用范围收到其设备和工艺水平的限制，所以，在扩大其应用范围，提高生产效率、稳定性以及可靠性方面，更加深入的研究和探讨沉积设备的制造水平和工艺水平有着深远的意义。1.2.1 电火花沉积工艺的发展概况1943年，前苏联的拉扎连科夫妇发明了电火花强化技术，这种技术在很多工业发达国家得到推广和应用，效果显著。50年代中期,这一技术改进为电阻-电感-电容等回路。高功率管，闸流管，与其他高频脉冲电源的使用，使生产率可以在相同的表面粗糙度条件得以改善。前苏联对Y JI P系列电火花表面强化机的研制做出了突出的贡献，同时，在工艺学研究所，中央机器局对M E系列电火花表面强化机械仪器投入了大量的研究。1964年，在摩尔达维亚科学院的应用物理研究所，在基希涅夫实验工厂研制了机械化和手工操作沉积机系列，这些产品在前苏联的很多部门得到快速的应用，如仪器制造、机器产品制造、工具等部门；七十年代，此研究部门利用晶体管脉冲发生器以及可控硅制造出了新型强化机产品，通过使用新型操作工具，改变了合金化控制方法6。据数字统计，前苏联在19781 979年应用的37台中M-78型强化设备，总共节约了高达40万卢布的资金。五十年代和六十年代，欧美和日本分别从开始对电火花表面强化加工工艺进行研究和应用，主要产品成果包括有美国制造的F 5型、1269型以及TVNGCARB220型，英国制造的SPA RKCARD，日本研制的DEPOSITION，法国制造的CARBUMATIG等。这些手工操作设备主要用于刀具和模具的表面强化，功率不是很大，一般都在200W以内。另外，保加利亚专家运用非接触电火花加工方法，利用独立式脉冲电源的研制出了E型A系列产品，同时匈牙利等国也开始生产此类产品。 九十年代后，电火花沉积强化技术在日本得到很大发展。日本研制的Spark depo强化设备可获得较为均匀的强化涂层，并且涂层的厚度也有所增加。电火花加工的原理如图5所示。沉积层保护气基体火花 图1-5 电火花沉积工艺示意图比较性能 新型设备国产设备日产设备功率（W）1400601609001200电机运转方式旋转旋转旋转强化材料碳化物等WC-Co碳化物等气体保护氩气氩气涂层厚度（m） 200 30 150涂层表面连续涂层点堆积连续涂层 国内沉积机的研制收到条件的限制，从五十年代开始研制，但是并没有得到广泛的应用。七十年代，国内一些单位重新关注电火花强化技术在模具和刀具的方面的应用，并在此方面进行了研究。D91系列在苏州电加工机床研究所被研制，随后在泰州海陵电器厂进行批量生产。近些年来，强化机的研制已有所突破，在中国农机院所，一种新型脉冲发电电火花沉积设备被研制出来，它采用了先进的功率开关元件IBGT，计的一套控制电路大大提高了放电能量，可用于控制设备的充放电过程，且加工过程的可靠性和稳定性均有所提高；西安庆安集团有限公司作为航空第一集团的附属，研制出了zs-116型号的电火花强化机，使用了旋转电极，放电能量均衡，能够用于多种电火花强化加工，并且电流调节范围也很大，沉积层的质量和厚度都得到了提高，同时表面粗糙度也有所降低。表1显示了电火花沉积的新型设备与国产强化机、日产设备性能的比较： 表1-1 新型设备、国产及日产强化机性能比较1.2.2 电火花沉积的理论研究现状 国外许多学者对传统电火花表面强化理论的研究作了比较广泛的研究，1943年，苏联学者拉扎连科夫妇发明研究了电火花加工技术之后，脉冲电源和控制系统的改进促进了这一技术迅速的发展，也就是用电阻、电容回路，即所谓的RC回路。50年代中期,这一技术改进为电阻-电感-电容等回路。与此同时，由于采用了脉冲发电机之类的长脉冲电源，蚀除效率得以快速的提高，工具电极的相对损耗也大大降低。那么高功率管，闸流管，与其他高频脉冲电源的使用，使生产率可以在相同的表面粗糙度条件得以改善。20世纪60年代，晶体管和可控硅脉冲电源的使用，对提高能源利用效率和降低工具电极损耗，扩大调谐范围的粗精加工等方面起到了相当大的作用。20世纪70年代，高低压，多回路脉冲幅度脉冲和可调波形脉冲功率的出现，使得表面粗糙度，加工精度和降低工具电极损耗的复合脉冲等出现了新的进展。在控制系统方面，从最初的放电间隙控制工具电极的进退，逐步发展到使用微机和电气参数和非电参数的各种因素进行及时控制3。20世纪80年代，工业级CPU控制，G代码编辑功能等大大提高了使用性能。日本牧野（牧野）于1980年发明了第一台数字控制放电加工机。到90年代，多轴控制和换刀装置（ATC）技术广泛的使用。近年来，电阻技术，直线导轨技术，混合粉的技术等一些新技术也被成功地用于电火花加工机床中。 前苏联学者通过研究后发现，在提高工具表面质量的方法方面，非接触火花放电系统的前景相对来说是最好的，因为为了保证必要的生产率，采用了高频独立式脉冲发生器，以及减少单个脉冲能量等，并对强化层可能出现的一些基本形式进行了研究。通过这一系列的研究后，得出了影响强化效果的一些因素。最近，电火花沉积(Electro-Spark Deposition)等新工艺的出现，是在一些传统表面加工工艺的基础上发展起来的，而且，这种新工艺被国内外工业界接受和应用，这也是不久之前的事情2。在应用研究方面，国外许多学者也做了大量的研究性工作。 1999年，在中国表面工程研究所，农业机械研究所与哈尔滨汽轮机厂完成了电火花堆焊工艺表面的合作，首次成功修复电厂30万千瓦的发电机轴密封磨损的表面，从而解决了许多类似案例技术问题，如刷涂料的性能差，损坏，无法修复的焊接，喷涂、粘接强度不够等缺陷。在北京，山西，云南，山东，广东，黑龙江，甘肃，并在随后的四年当中，成功地修复了许多地区中型电厂的百余件同类产品。在国内，关于电火花表面强化的研究中，对于传统工艺理论研究已有进展和突破，天津机床工业研究所，浙江大学，以及原原机械部第八设计研究院等从事研究工作的部门在强化机理和应方面也有很多的成果。硬度，耐磨性，粗糙度，以及高温稳定性强化层的相结构，应力状态，物理和化学性能等因素对加工中的强化过程都有重要的影响。因此，在关于强化性能影响因素方面的研究中，很多学者都做了大量的研究，以期事先预测强化层的特性。在这些影响因素中，主要有电极振动方式，介质成分，以及电极材料等。然而，在电火花沉积工艺的理论方面，国内报道的寥寥无几，其应用方面的报道也不是很多。电火花沉积金属陶瓷材料酬铝液热浸蚀方面，黄小欧做过详细的研究;电火花表面光洁度和沉积涂层厚度的分析方面，赵树萍在辽宁有过编译；关于电火花沉积不锈钢1Crl8Ni9Ti，中国科学网站对其后沉积层的抗高温氧化性做过报道。可以明显的看出，在研究中，对沉积层组织结构，沉积工艺，机理等方面的的研究不多，而且这些研究的全面性方面也存在一些问题。 可以预见，电火花沉积工艺在实用性和实用性方面有着得天独厚的优势，然而其理论研究却没有跟上应用的脚步，因此，本文着重从沉积层的组织结构和性能方面，对电火花沉积加工做了一些讨论。1.2.3电火花沉积工艺的发展趋势 进入新世纪以来，工业正发生着日新月异的变化，如何最大限度的提高模具、工具等零件的使用寿命和性能已成为研究的热点问题。因此，对于新技术、新工艺的要求，电火花沉积技术应可以下方面重点发展：1、 加强电火花沉积设备的更新换代。对于沉积层来说，其质量和厚度受电火花沉积设备的影响很大，与传统的强化机相比，现在的设备制备的沉积层厚度基本已达到应用的要求，然而与一些其他表面处理技术设备相比，电火花沉积设备的效率较低，沉积层均匀性差，且大多是手工操作的小功率设备，因此，今后的发展方向应该是毫米级沉积层厚度，均匀性好，高效率，机械化、自动化高的大功率设备。由于电火花强化工艺对强化层的要求越来越高，因此应该加快电火花设备的研制，及时的更新换代，促进技术的不断发展进步。2、扩大应用领域范围。目前，电火花沉积工艺已经在轻工、交通、纺织、农业机械、机械制造、电机、电器、化工等行业中得到广泛的应用，很多工具、模具的零部件都采用此技术进行表面强化，所以，应该加强电火花沉积技术在水利水电、冶金、医疗器械等行业中的应用，尤其是发电行业的发电叶轮，冶金行业的各种轧辊等的表面沉积和修复中应用前景十分广阔。3、为了获得最佳的沉积层质量，应实验研究不同工件和材料的沉积工艺参数，并通过控制、选择沉积参数来实现；为了使电火花沉积工艺获得更强的生命力，同一沉积表面应用多种电极材料沉积工艺；研究复合沉积工艺，如电刷镀-电火花沉积，激光-电火花沉积，可以在沉积面应用多种沉积工艺。在涂层材料的研究中，国内主要集中在硬质合金和陶瓷材料方面，对于具有优异性能的金属间化合物和难熔金属的研究也深有意义。4、为提高沉积层的沉积效率和质量，应研究沉积层的连续性和均匀性的关系，以及不同电极材料沉积层的形成规律、组织状态、相结构、特性等，深入研究沉积的机理，更进一步研究沉积层的特殊性能，指导设备制造、电火花的基础研究及应用及开发。 这些研究工作的目的，是在原有的基础上更深层次上提高沉积工艺的生产效率、稳定性以及可靠性，以适应不同零件的沉积要求。1.3研究内容及方法 为了深入研究沉积层的特性与沉积机理，研究出更加稳定、高效、可靠的沉积技术，本文将采用WC-Co硬质合金作为电极材料来沉积H13钢，并通过实验设备来分析研究其沉积层随沉积时间的变化规律及成因。1.3.1研究内容1、研究沉积层的形成规律及特性；2、沉积时间对沉积层厚度的影响规律，用X射线衍射仪分析沉积层的组织结构，通过硬度实验和抗磨损实验测定沉积层的硬度和抗磨损性能，得出电火花沉积时间对沉积层相结构产生影响。 1.3.2测试工具数字式显微硬度计、X射线衍射仪、扫描电子显微镜、金相显微镜、SEM、电火花沉积/堆焊机。第二章 电火花沉积原理及沉积设备2.1 电火花沉积原理、过程及特点2.1.1 电火花沉积原理 电火花沉积技术是电火花加工的一种，它的基本原理包括是储能电源在振动器的作用下使电极以较高的的频率与工件之间产生电火花放电，在内工件与基体相接触的部分可以高达800025000，在高温的条件下，局部材料熔化、等离子化以及气化，电极材料发生融化，电极材料高速扩散到工件的表层，从而在基本表面形成一层合金结合性的强化层。通过电火花沉积工艺，基体的物理性能（硬度、强度和耐磨性等）、化学性能以及机械性能等据得到改善，其工作示意图如图2-1所示。2.1.2 电火花表面强化的沉积过程电火花沉积强化过程可分为三个阶段:1、 低压击穿条件形成阶段;2、 火花放电阶段;3、 电极与工件分离阶段，此过程如图2-1所示: 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 图2-1 电火花沉积过程的电极状态此过程主要强调强化过程中电极运动状态的阶段性变化。其中在低压击穿条件形成阶段过程中,如图a所示,电路暂时处于断路状态;在图b和图c中可以看出，火花处于放电阶段。间隙中空气必须在在电压的作用下，当电极与工件缓慢相近至一定距离时才可被击穿，从而产生火花放电,如图b中所示。在此阶段中，电极和工件材料表面在高温的作用下会产生局部熔化或气化。在图c的阶段中，电极材料逐渐与工件材料相接近至接触，并在接触点处流过短路电流,并通过一定的压力作用于电极，使相接触的局部继续加热,使熔化的材料相互粘结并扩散形成熔渗层。最后阶段，如图d所示，电极与工件相离开。电极材料和工件材料分离后,靠近工件的熔化层由于吸收、传到的热容量较大，所以会快速冷却散热,导致电极材料的表层与熔融材料粘结,并覆盖在工件上形成涂层。 图2-2 电火花沉积2.1.3 电火花沉积强化的特点 电火花沉积强化工艺与传统的热喷涂，化学热处理等表面强化工艺相比具有很多独特的优势和特点，具体表现为：1、可对一般的几何形状的曲面、平面等进行沉积，也可对表面进行局部沉积，以提高耐磨性和硬度。并且，在整个沉积过程中由于电火花放电时间很短，热作用只发生在表面很小的区域，因此不会使工件热变形或退火。2、沉积层与基体通过冶金结合后，连接非常牢固牢固，不像电极材料简单的涂覆和堆积，因此不易发生剥落。同时，电极的材料可以根据需要进行选择，一些常见金属如碳素钢、紫铜、黄铜等均作为电极材料，不仅消耗量少，且来源广泛。3、工艺设备简单，不需要真空系统或者特殊、复杂的装置设备，只需在氨气或空气中进行，因此，设备有传动机构、工作台等机械构件，花费较低，移动和搬运也非常方便，为大规模推广应用提供了有力的条件。4、通过对沉积时间的控制和沉积参数的调节，可以获得不同的沉积层厚度和质量，得到不同的效果，并且可作为最终的工序使用，可在现场进行操作，用锉刀等工具进行钳工修理，不用拆卸被修复件，操作方法简单，对工作人员的要求较低，也不会产生污染物、有毒气体污染环境。5、 适用的范围很广,所有能导电、可熔的金属或陶瓷材料均可应用，并且设备简便，方便移动，可在原地或在线修复，能用于一些大型工件或在线设备。2.2 沉积设备的结构电火花沉积设备主要由电机转动装置，脉冲电源等部件构成。其中，脉冲电源可以为电火花沉积过程中的火花放电提供能量。通过对火花沉积实验和电火花沉积过程进行分析后，可以得知脉冲电源还可在电极和零件发生短路时提供一定的短路电流，从而得到一定的沉积层：其次，为了以较快的速度进行沉积工艺，必须提供较高的放点频率；第三，根据沉积工艺要求能方便地调整电气参数；第四，为了尽量节俭电源的消耗，应尽量提高电能的利用率。经过电火花沉积/堆焊机工艺加工后，由于冷焊过程中集体的温度不是很高，且热输入很低，所以对母材影响不大，涂层与母材结合紧密，无咬边、气孔及残余应力,使用寿命提高。图2-3 电火花沉积设备 图2-4 电火花沉积设备面板简图1、 复位开关 2、3、4.输出功率档位开关 5. 、遥控器插口 6、沉积枪输出接口（ 正）7、保护气出口 8. 输出负极 9、 输出脉冲频率调节旋钮 10.、输出功率高低档位开关 11.、电源开关 图2-5 手持沉积枪简图 1、电极 2、保护气冒 3.、绝缘枪柄 4.、电机 5.、开关自锁按钮（松开，电机停止旋转； 按下，电机连续旋转）6.、保护气输入管 7、沉积正极电源输入线 8、 电机电源输入线 9、电机开关2.3 电火花沉积材料的选择 经过电火花沉积工艺，工件表面的耐腐蚀性、耐磨性、硬度等物理化学性能均得到提高。在沉积过程中，电极材料和基体材料在高温高压的条件下分别熔化或气化，从而发生合金化的化学反应而相互融渗。所以，经过电火花沉积工艺，工件的表面会形成一层致密的冶金结合涂层，并不是像传统的表面加工工艺一样进行简单意义上的涂敷。在选择电极材料的时候，电极与基体的结合方式并不是主要的考虑依据，沉积层所要求的性能或功能才是需要考虑的指标。一般来讲，电极材料常常以钴或镍等作为粘合剂，另外选择一些过度金属形成的难溶碳化物，如碳化钛、碳化钨、碳化钒等，或者利用一些粉末合金方法制造的合金材料。之所以选择以上材料作为电极材料，是因为这些材料在高温下能保持较高的硬度，耐磨性强，具有稳定的化学性能，热膨胀系数较小，并且具有很高的弹性模量。另外，应该根据需求来选择所用的材料，但是有一点应特别注意，选用的电极材料必须具有导电性。例如，在对刀具、模具以及一些耐磨零件进行沉积强化时，可以考虑用YG型硬质合金电极以得到TiC层、WC层；粗电极的使用会大大降低生产效率，而采用大功率的电击棒也会导致电极过热，因此可以采用截面积较小的电击棒进行小功率的沉积工艺，以保证加工表面的质量。电火花沉积强化，不仅可以对零件表面进行强化，还可对零件表面部分区域进行强化修复，应用范围非常广泛。在加过程，可以根据不同的沉积对象选择与之相匹配的电极材料。如碳化钨硬质合、碳化钨基的硬质耐磨合金以及硼化物等作为电极可提高零件表面耐磨性；钛铝合金、优质镍基耐蚀合金、不锈钢等可提高零件的耐腐蚀性；另外还有一些难熔的金属电极材料以及Fe，Ni，Cr等合金。本文采用WC-Co硬质合金为电极，以H13钢为基体材料进行电火花沉积强化。第三章 实验过程及分析经过电火花沉积强化，电极材料和工件材料发生合金化的冶金反映，形成合金化的沉积层，从而改善了工件表层的物理化学性能、力学性能等，然而却并没有改变心部的力学性能和组织性能，所以沉积强化后的工件使用寿命得到提高。本文采用WC-Co硬质合金为电极，在氩气保护中对对H13钢的电火花沉积强化，通过实验设备观察研究沉积层随沉积时间的影响规律。3.1 表面预处理1、检查工件表面看是否有油污，如果有的话，可以用油污洗涤剂进行清理，没有的话，可直接进行第二步；2、仔细观察工件表面的的氧化层，然后用锉刀轻轻锉去氧化层，然后用砂纸小心的打磨其表层，直到工件表面露出崭新洁净的金属表面为止；3、用汽油或者丙酮清洗焊条表层的油脂以及工件表层；4、最后，应仔细检查工件表面是否有损伤，如划痕、凹痕等，特别是那些与碳钢件接触造成的损伤应及时的进行打磨清理，处理干净为止。3.2基材的选取与制备 在此实验过程中，采用WC-Co硬质合金为电极，如图3-1所示，主要成分包括WC、Co等。基体采用的是不经过任何热处理的H13号钢，主要成分如表3-1所示，并切割为128mm60mm的试样，用砂纸打磨表面。在大功率氩气的保护环境中，电火花沉积强化采用DL-4000型电火花沉积堆焊机进行加工，手工操作，其具体参数如表3-2所示。 图3-1 WC-