电火花沉积技术发展及在模具上的应用

李福海 代明江 陈兴驰 马文有

摘 要：电火花沉积技术，节能、省材、环保，应用广泛。文章介绍了电火花沉积技术的特点、放电机理，分析了其应用现状，并提出相关建议以供参考。

关键词：电火花；电火花涂层；压铸模具；热疲劳

中图分类号：V261.6+1 文献标志码：A 文章编号：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

电火花加工是一种常规的材料去除手段，在模具领域得到广泛地应用；电火花表面涂层技术是在电火花加工基础上发展起来的增材制造方法，在可在模具表面形成预防保护的涂层和堆焊修复工具和模具，具有一定的应用前景。本文从技术基础及应用前景方面着重介绍电火花涂层的制造特点及在精密模具领域的发展潜力。

1 电火花涂层技术的特点

电火花涂层是利用金属电极在金属工件表面做相对运动，在工件和电极的微区上产生微电弧，电弧同时熔化工件和电极形成金属熔滴，随后金属熔滴凝固在材料表面形成涂层，该涂层与结合面形成冶金结合。由于电极和基体的熔化程度受电极极性和工艺参数的程度很大，导致形成的涂层成分和性能千差万别，当负极性连接时（工件接负），电极的熔化程度远高于基体，电极成分进入涂层的比例大幅度增加，因此涂层主要表现为电极的成分和性能，当电极选用特种材料电极时，处理的工件就同时具有了电极材料的性能。如，高硬度、高耐磨性、高疲劳强度、高耐腐蚀性和抗氧化、耐高温、耐烧蚀等性能，因此电火花涂层技术能够应用在工模具、刃具、军工、汽车、矿山、冶金等行业，尤其适用于精密零部件的表面强化和局部的增材制造。因为相比于其它常用的表面技术，电火花涂层的工艺具有如下的优势：

（1）电火花涂层的能量输入低，基体温升很小，涂层的热影响区小、工件变形极小（不变形），对基体的性能没有影响。

（2）涂层的凝固过程极快，金属熔滴质量很小，在极短的时间内冷却，熔滴的热量迅速被（热沉无限大的）工件扩散，热量不会集中在工件的处理部分，能够实现真正意义的冷焊。

（3）与基体冶金结合强度高，因为涂层是电极和熔滴熔化再凝固的混合物，因此实现了微区上的冶金结合，基本达到焊接的结合程度，远高于电镀和热喷涂等工艺的化学结合与机械结合。

（4）涂层是材料微区连续熔化和凝固形成的，组织细密、均匀、一致性高。

（5）工艺容错率高，对前处理和后处理的要求低，仅需简单少量的处理，有时甚至不需要处理，直接可以进行。

（6）主体设备简单，操作简单，尤其适于大型工件或在线设备的现场不拆解加工。

（7）电极选择范围非常广泛，凡是能导电、可熔化的金属（黑色及有色）、陶瓷（金属陶瓷）、复合材料（金属基、纤维基）材料都可以作为电极，形成涂层。

（8）其它优点：设备简单、成分低廉，容易自动化，环境友好，容易大范围推广应用。

2 电火花涂层的形成原理

学者们在探索电火花涂层的形成机理时，已经形成了比较统一的认识。这就是在电极和基体的接触过程中，电极与基体间形成了电火花放电现象（微电弧），电弧的存在同时熔化电极和基体，形成液态熔滴，熔滴过渡沉积在接触点上，由于电容放电的脉冲是间断行为，因此导致熔滴产生的间断效果，呈现密集轰击和扁平化涂层区域，先形成的涂层随后又参加后续的熔滴形成和冷却过程，保持电火花过程的连续不断。在正极性连接时，由于基体熔化程度强于电极，因此宏观表现为基体材料的去除，在负极性连接时，电极熔化程度强于基体，因此宏观上表现为电极在基体上的沉积，因此需要形成电火花涂层时，都采用负极性连接，同时为了使电极在电弧下容易熔化，会降低电极的耐电刻蚀性能。

目前，关于电火花涂层的放电形成机理的研究仍在继续。

3 电火花涂层的工艺参数控制和优化

影响电火花涂層的最关键因素是设备特性和工艺过程，沉积效率和涂层质量是参数控制和优化的最主要考核指标。经过大量系统研究，影响电火花涂层的工艺参数主要可以分为以下几个方面：（1）电极种类及其运动方式。包括电极材料种类（常用有黑色金属Fe、Co、Ni，有色金属Cu、Al，合金）、制造工艺（机械加工、粉末冶金、3D打印）、外形（圆形、特制形状）、运动速度、持续时间、往复次数等。（2）基体材料。材料（纯金属、各种合金、复合材料WC-Co等）、表面状态（一定粗糙度）、外形和尺寸、处理温度。（3）电火花设备电源特性。电火花单脉冲能量、脉冲频率、开路电压、电容、电火花持续时间、感应系数等。（4）电火花放电的环境。包括辅助气体成分、流体特性、气体流量大小及保护方式。（5）辅助添加介质。抗磨、耐腐、修改或改性等不同场合使用的沉积材料。

4 电火花沉积层性能

研究表明，合适的电火花设备和电极材料可获得各种性能的涂层，可满足对表面涂层性能的不同要求。但涂层没法达到与电极材料或基体材料完全相同的结构和性能。

涂层质量和稳定性受涂层应力影响。有学者采用有限元模拟软件ANSYS对电火花涂层的温度场、应力场进行模拟，计算结果与实测结果接近。

5 电火花沉积层在模具领域的应用

（1）应用于：模具强化及零件微量磨损的修复。某模具厂的小型铝合金压铸模具，采用H13钢制造，采用直径3mmH13作电极进行电火花表面修复，再经表面研磨处理，修复层的硬度达到HRC50，没有裂纹产生，维修过程极为简便，时间缩短1倍，大大增加了经济效率。

（2）应用于：铜合金精密部件和各种模具的型腔表面强化及零件微量磨损的修复。某報废液压油泵采用Al青铜制造、选用Zn黄铜合金做电极对此部件进行电火花表面修复，修复后缺损处平均硬度值为HV150左右，完全能承受液态高压流体的冲击疲劳应力的作用，效果良好。

某单位与伯明翰大学合作在H13基体上制作了电火花强化WC层，电火花涂层由明显的液态熔滴凝固堆积而成，电极极性、脉冲电流、脉冲持续时间等关键参数严重影响着沉积层的结构和性能；涂层的截面组织中有明显的WC白亮层，结构致密，与基体结合紧密，其硬度达到Hv1300以上，比基体硬度提高两倍以上，具有更好的耐磨性能，在模具行业具有极好的应用前景。

6 结束语

随着电火花设备和工艺技术的不断发展和人们对电火花放电过程的深刻认识，电火花表面涂层技术将会得到更进一步的成熟和发展，将会在材料表面强化和零部件修复中发挥更加重要的作用，因此该技术具有广阔的发展前景和应用价值。

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