Cr12MoV钢电火花沉积工艺研究

郭晓霞

（深圳职业技术学院 机电工程学院，广东 深圳 518055）

表面强化是提高零件表面性能的重要方法之一，如，碳素工具钢或低合金工具钢经表面强化后，可达到或超过高合金材料的性能指标．表面强化的方法有多种，在生产中常用的有热喷涂和电镀．热喷涂时，材料与基体的结合以机械结合为主．电镀应用中典型的有电镀铬，尽管该工艺非常经济，但由于环境污染的问题，其应用受到限制．最近几年，一种新的灵活的、抗破坏性强的电火花沉积工艺不断受到人们的重视．电火花沉积工艺能真正实现涂层与基体的冶金结合，同时还可以使基体的温度保持在室温，这既可以防止基体金属热变形，也防止已经过热处理的金属基体发生冶金变化．电火花沉积可以在多种工程零件表面涂敷以产生涂层，几乎任何导电的有一定熔点的金属陶瓷或金属电极，都可以涂敷到基体表面，并与电极有相同的材料特性，另外，电火花沉积还可以用于零件的修复，尤其是对于修复那些生产周期长或不再生产的零件是非常有效的．目前，电火花沉积技术已经成功地应用于零件的修复，国内外学者对该技术的机理、设备、工艺参数、沉积材料等做了大量的研究[1-9]．

本文以Cr12MoV为基体材料，研究电火花沉积层的工艺，以及影响沉积层质量的因素．

1 电火花沉积原理

电火花沉积是一种微弧焊接工艺，可以沉积合金或金属陶瓷到任何导电的材料上．

电火花沉积设备示意图如图1所示．在电火花沉积时，电源向电容器充电，电极高速旋转，电极向工件运动且接近工件，其间空气电离，形成放电通道，在放电微小区域内形成8000~25000℃的高温，使电极材料熔化并以等离子状态沉积到工件表面，同时放电区域的材料也熔化，且向四周溅射，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，成为工件表面上的沉积点．当电极离开工件，放电过程结束，电源重新对电容器放电，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[2]．

图1 电火花沉积设备示意图

2 试验材料及设备

实验材料为Cr12MoV，又称SKD11，是广泛使用的模具钢材料，且是冷、热作蒹用模具钢．Cr12MoV有高的淬透性，热处理后有高的硬度、耐磨性和抗压特性，常用来制造大截面、重负荷、形状复杂的冲裁模．这类模具的失效形式主要有刃口部位的磨损和崩裂．

电极为圆柱形，直径为2.4 mm，其成分见表1．

表1 电极的成分（质量分数，%）

试验设备为放电式修复机Microdepo150．ESD设备包括2部分：电容器放电的脉冲电源和装有可接地电缆的焊枪．沉积时，电极安装在焊枪上，如图2所示．

图2 电火花沉积

3 测试缺陷准备及修复

电火花沉积工艺可以用于对模具表面的缺陷进行修复．模具在使用过程中常出现的缺陷包括磨损（或划痕）缺陷和腐蚀点．为了证明工艺的修复能力，必须定义一定的用于测试的缺陷．根据常见缺陷的形状，定义了下述2种形式的缺陷．

图3 测试件

试件的规格（长宽高）：35 mm×30 mm×12mm．类型1缺陷是点缺陷，是用f12球头刀加工出来的，见图3的部位1，缺陷1设计的目的主要测试零件腐蚀点的修复．类型2缺陷是长条型的槽，用f12mm球头刀加工，槽长15mm，深0.15mm，见图3的部位2，缺陷2设计的目的主要测试一些划痕类的磨损缺陷．

由于模具在使用过程中表面有油污或或氧化物，所以在对模具修复前必须对试样表面进行预处理．先用细锉轻轻锉去试样表面的氧化皮，再用砂纸砂磨试样表面，使试样沉积表面露出干净的金属，最后用丙酮清洗试样和电极表面的油脂．然后把被沉积的工件装夹在虎口钳上，手持装有电极的焊枪在工件表面进行沉积修复．在修复时，涂层的修复厚度大约比缺陷深度大0.1mm，修复完后再打磨平．图3中的部位3是沉积后未打磨的表面状态，4和5部位分别为2种缺陷修复并打磨后的表面状态．

4 影响沉积层质量的因素

电火花沉积时熔融的电极材料以冶金方式与基体材料结合．电火花沉积表面的形貌是由无数密集的沉积点和放电凹坑所构成，宏观呈银灰色的桔皮状，如图4a所示．沉积层的质量直接影响着涂层或修复部位的性能．

4.1 保护气（氩气）

在无氩气保护的状态下沉积时，沉积表面发黑，沉积时电极发红，沉积后电极表面有一层蓝色的氧化膜，且沉积层表面粗糙，如图4b所示，显示无氩气保护的状态下沉积层中有明显的层间疏松、未熔合的缺陷和孔洞．

在氩气的保护下沉积时，在沉积过程中，沉积表面的氧化现象受到抑制，且熔融的电极材料以等离子状态喷射到工件表面，这样沉积层的表面粗糙度值大大减小．在沉积过程中，氩气一方面对电极起冷却作用，同时隔离空气阻止金属发生氧化．图5是在氩气保护下涂层区域横截面的照片，修复区域的致密性明显提高．由此可见，合理调整氩气的流量可以降低沉积层的氧化，减少沉积层的裂纹和孔洞．

4.2 电容

由图6可以看出，电容的大小与工件与电极之间放电能量的大小有直接关系．随着电容的增大，单位时间内沉积放电的能量增加，那么一次转移的电极材料体积增大，沉积的凸起部位更高，从而造成表面粗糙值变大．同时，随着放电能量的增大，放电时可以明显地看到火花，有更多的火星向外喷射．由图6b可看出，随着电容的增大，沉积层中出现未熔合的孔洞，致密性大大降低．

图4 沉积层的表面形态

图5 沉积时氩气保护的沉积层

图6 不同电容时沉积层的金相照片

4.3 电压

由图7可以看出，随着电压的增大，沉积表面变得粗糙，放电时可以明显地看到火花，有更多的火星向外喷射．当电压达到150V时，电极呈胭红色，且在冷却后，电极表面有一层氧化膜．电压为50V时，沉积层比较致密，没有明显的孔洞；当电压升为150V时，沉积中有明显的孔洞和未融合层．

通过上述试验比较得出，在工件和电极相同的条件下，减小电容、电压，同时在沉积时增加保护气，可以得到质量较高的沉积层，但沉积效率会降低．通常，在沉积修复时，要综合考虑沉积效率和沉积层的致密性．通过大量试验，下述沉积方法可以提高沉积层的致密性和连续性，提高沉积层的性能．

1）打底．选用高频率低电压（800 Hz，50V），氩气的流量约为 3L/min．在每沉积一层后，轻敲，并用细砂纸打磨，以去除表面氧化薄层和微观环境下的裂纹和气孔，然后用滴耳球吹去粉末．这样重复 5~10层．且要确保每次堆积的痕迹与上次痕迹充分交融，不要出现较高的凸点和凹坑．

2）修复．选用中等频率、电压（400 Hz，100V），能量大小调整以电极不发红为准．每沉积一层（约5～10道）后，轻敲，并用、细砂纸打磨，再用滴耳球吹去打磨产生的碎屑．沉积到低于基准面10～20道即可．

3）盖面．选用高频率低电压（800 Hz， 50V）．盖面层沉积到超出实际使用高度 5~10道，然后用砂纸打磨平．

图7 不同电压时沉积层的金相照片

[1] 郭晓霞．电火花表面沉积技术[J]．深圳职业技术学院学报，2008，7（1）：17-21．

[2] 王建升．电火花沉积及合金化[D]．昆明理工大学，2004．

[3] Wang R. Interface behavior study of WC92-CO8 coating produced by electrospark deposition[J].Applied Surface Science, 2005，240：42-47．

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[8] 胡隆．718钢电火花沉积Ni-Cr合金涂层的组织特征及性能[J]．表面技术，2011，40（3）：5-7．

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