电火花沉积技术研究现状及发展趋势

张留伟，邵 俊

（台州科技职业学院，浙江 台州318000）

专论综述

电火花沉积技术研究现状及发展趋势

张留伟，邵 俊

（台州科技职业学院，浙江 台州318000）

电火花沉积技术是不同于传统技术的一种工艺方法，经电火花沉积工艺处理的金属沉积层具有较高的硬度、耐磨性以及良好的耐高温、耐腐蚀性能，具有节能、节材、环保等特点，被广泛应用在模具行业和汽车工业等制造领域，并且发挥着不可替代的作用。综述了电火花沉积技术的基本原理和工艺特点，阐述了电火花沉积技术的发展概况及其优化方案，指出了该技术今后的研究方向和发展趋势。

电火花沉积；表面强化；表面改性；进展

随着社会经济和科学技术的不断发展，对设备零件表面性能的要求越来越高，要求产品能在高温、高压、磨损、腐蚀等恶劣条件下长期稳定的工作。因此，表面强化技术应运而生，运用此种技术工艺能使得材料的表面性能发生变化，这种变化能使得材料的利用率大大提升，且不会对环境造成太大伤害。目前有以下几种表面改性技术：电火花沉积、熔渗、电镀、渗碳、热喷涂等。在这些改性技术当中，电火花表面改性是一种新工艺，它的工作原理可概括为：用电火花沉积设备储存的高电能，使得电极材料与基体之间产生快速的放电火花。同时，电极材料被熔渗到基体表面，形成合金化的表面沉积层，从而使基体综合性能得到很大提高[1]。因为此工艺对基体的热输入非常小，所以不会导致基体的变形，从而它在工业中的应用日益广泛。

1 电火花沉积技术的原理与特点

电火花沉积技术的基本原理是把沉积电极与工件分别置于正极和负极，通过电源存储的高能量电能，使电极与工件之间产生火花放电，在10-5～10-6s内电极与工件接触的部位可以达到8 000～25 000℃的高温，同时电极材料被熔化、气化或等离子化，从而熔渗到工件表面，构成合金化的沉积层[2]。陈钟燮[3]利用金相显微镜、X射线衍射仪、显微硬度机等仪器对沉积层分析，结果显示，沉积层是有沉积电极和基体材料组成的新表面层，它的厚度介于5～150 μm之间，硬度可达1 200 HV以上，具有良好的耐磨性和耐高温性。

电火花沉积工艺可根据选择不同的电极，使工件表面具有高耐磨、高硬度、抗氧化、导电、导热等性能。因此，它广泛应用于工具、模具、航空航天、医药、汽车、军工、电机电器等领域。与其它表面处理技术相比，电火花沉积工艺具有以下优点[4-8]：

（1）所得涂层与基体呈冶金结合，不易发生脱落。

（2）能量输入低，对基体不会造成热变形及组织变化。

（3）此工艺在空气中进行，不需要特殊的设备，从而使生产成本大大降低。

（4）适用范围广，对具有不同形状的零部件都可以进行加工。

（5）沉积的涂层组织细密，一致性好。

（6）此工艺加工后所需后处理非常少，有时甚至不需要，从而提高其效率。

（7）它对环境污染少，节约能源。

2 电火花沉积技术的发展概况

2.1 电火花沉积设备的发展

在1944年，前苏联根据拉扎连科夫妇提出的沉积工艺制造出了世界上第一台电火花穿孔机床。1950年，前苏联中央电气科学研究所研制了yHP系列电火花沉积设备，同时也研制了HE系列电火花沉积设备[3]。1964年，前苏联摩尔达维亚科学院应用物理研究所根据拉扎连科夫妇的沉积工艺理论研制出3H系列设备，并广泛应用于工业部门[5]。摩尔达维亚科学院应用物理研究所的基希涅夫实验工厂在70年代生产了采用可控硅和晶体管的新型电火花沉积设备，这种设备对沉积层的质量和手工操作性都大大提高。根据记载，在1978年到1979年间原苏联采用37台此种沉积设备节约了约40万卢布[3]。

欧美国家是在20世纪50年代开始研究和使用此沉积工艺，且多用于模具零部件，日本则是20世纪60年代开始研究和运用[3]。这些设备一般为功率在200W内的手工操作设备。进入20世纪90年代后，日本的电火花沉积技术得到很大的发展[9]，他们研制的Sparkdepo沉积设备功率较大，能获得较均匀的涂层，涂层厚度也增加了很多。

国内电火花沉积技术的研究起步很早，在20世纪50年代便开始研究电火花沉积设备，由于受理论知识和当时技术条件的原因，此技术未能大面积应用。在1977年，苏州电加工机床研究所研制出了D91系列沉积设备，此设备被大量地用在模具、量具和机械零件的沉积强化和表面修补，获得了很好的经济效益[7]。在20世纪90年代，伴随科学的进步，这种强化技术有了深入的发展[9]。航空第一集团下属的西安庆安集团有限公司研制出了ZS-116型号的电火花沉积设备[10]，此设备沉积特点是电流调节范围大，可用于多种电火花沉积工艺。国内一些高等院校和科研单位对沉积设备的研制做了大量的工作，研制了一系列新型电火花沉积设备，如清华大学等科研单位研制出了脉冲电火花沉积设备，由于此系列设备上设计了一套控制电路，所以能使放电能量大为提高，从而提高了沉积层的质量和厚度，并且降低了表面粗糙度[11]。中国科学院金属研究所研制出了3H-ES系列电火花表面强化修复机高能电微弧脉冲冷焊加工设备[3]，其特点是热影响小，工件不变形，沉积层与基体呈冶金结合，也可以在线进行表面沉积和修复，从而大大节约了生产成本。

2.2 电火花沉积工艺的发展

电火花沉积层的性能主要由基体材料、电极材料、加工工艺和工艺参数等共同决定，其中加工工艺对电火花沉积层质量、沉积层厚度和沉积层表面致密度等有显著的影响。随着科学技术的发展，新的加工工艺不断被研发出来[12]，其中以简单电极电火花加工、混粉加工、气体中电火花加工以及微细电火花加工等新工艺最为引人注目。另外，为了能得到连续、致密的沉积层，S.Frangini研究出了一套新工艺[13]，此工艺是利用弹簧来控制电极所走的路径，进而实现接触力参数的动态控制，从而得到了满意的沉积层。谭业发[14]对沉积工艺的研究表明，在电火花沉积时通入适当的氩气（氩气流量控制在5L/min左右），可以有效防止沉积层被氧化和避免沉积层产生气孔或裂纹等缺陷。为了得到更好的沉积层，可以使沉积工艺在特定的液体中进行沉积。以煤油为沉积时的工作液，用Ti作为工作电极进行电火花沉积加工，电极材料Ti与煤油中分解出的碳原子进行反应形成TiC，从而使沉积层的硬度大概是基体硬度的5倍以上[15]。另外，在Si油工作液中，用Al、Ti两元素制作的电极在基体Al上进行电火花沉积，实验结果表明，硅油分解元素（C、Si）与电极所含元素进行了化学反应，生成了TiC-SiC等碳化物，这些碳化物对增加铝基体的综合力学性能具有显著作用[16]。高玉新等人[17]以Cr12模具钢作为基体，用WC-12Co做电极材料进行沉积，结果显示Cr12模具钢表面获得了高耐磨涂层。摩擦磨损实验表明，该涂层的耐磨性能是基体钢的3.3倍。董仕节[18]以TiC作为沉积电极，将其沉积到点焊镀锌钢板上。结果显示，TiC陶瓷以其高熔点和高硬度的性能，能阻碍电极与镀锌板之间的合金化，因此将点焊镀锌钢板的电极寿命提高了2.4倍。

3 电火花沉积技术的优化

尽管电火花沉积技术存在很多的优点，但也有它的不足之处。如沉积层厚度薄，沉积层表面有孔洞和裂纹，自动化程度低等。利用电火花沉积技术与其它工艺相结合的方法，可有效降低电火花沉积技术所带来的不利影响。

（1）电火花沉积技术与激光处理技术结合。这两种技术的融合能使涂层显微结构得到改善，显微硬度和耐腐蚀性得到很大提高。Norbert Radek[19]利用电火花沉积工艺把Cu-Mo涂层沉积到C45钢表面，使用相关仪器测得平均显微硬度为HV587，沉积涂层通过激光处理后测得平均显微硬度为HV730，激光处理后的显微硬度比处理前增加了20%，通过摩擦力学性能实验测得，沉积涂层表面的摩擦力系数在激光处理后比处理前增加了大约54%.另外，这两种工艺的结合使耐腐蚀性也得到了很大提高。

（2）电火花沉积技术与等离子电解沉积技术（PED）结合。电火花沉积技术与PED技术相结合，其最大特点是使用的沉积电压较低。Shen Dejiu[20]等利用此技术把金属陶瓷电极沉积在W9Mo5Cr4V2高速钢上，研究发现，与单一的电火花沉积相比，在涂层生成过程中，由于电解沉积产生的活性碳原子和氮原子的作用，沉积层的厚度变的更大，沉积率、涂层硬度、耐磨性都得到了一定的提高。

（3）电火花沉积技术与喷丸工艺相结合。张晓化[21]等利用电火花沉积技术对Ti811合金表面进行沉积，能够使耐磨性得到增强，表面光洁度和硬度都得到了相应的提高，但其高温微动疲劳寿命降低了很多。在沉积层形成以后再对其表面进行喷丸处理，可使高温微动疲劳寿命恢复到基体的水平，并且经过仪器测试可知其硬度和耐磨性与喷丸前相当。

4 电火花沉积技术的发展趋势

随着工业的发展，对工具、模具等零部件及设备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，电火花沉积技术应在以下几个方面重点发展：

（1）研制新型电火花沉积设备。电火花沉积设备对加工生产效率、沉积层表面质量、加工过程的稳定性、沉积电极的损耗和沉积层性能等方面都有很大的影响。近些年来，随着科学技术的发展，沉积设备的研制有了一定的进展，但不容乐观，我国电火花强化技术所用的设备大多都是功率小，从而导致涂层质量出现问题，鉴于此，今后努力的方向为制造大功率、高效率、自动化的设备仪器。

（2）深入研究电火花沉积技术的机理。由于该技术是综合焊接、表面处理、气相条件下的金属合金化等特征于一体的工艺，所以就决定了研究这一工艺机理的复杂性。到目前为止，该工艺的放电机理还存在分歧。对于电火花表面强化的原理进行深入研究有着重大的意义，例如可以使得工作效率大大增加、所得沉积层的质量也会更好。

（3）研究新型电火花沉积介质。介质是电火花沉积中十分重要的一种媒介。它首先起到的就是介电作用，即有利于产生火花放电。此外，介质的介电性越好越有利于沉积层的形成。工作介质可以冷却电极和基体，也可以冷却放电结束后的放电通道，使受热后的温度迅速降低，以利于恢复极间的介电性能。由于工作介质的重要性，所以应加大研究低粘度、绝缘性好、对加工不污染、价格更便宜等新型介质。

5 结束语

电火花沉积技术仍然是处于高速发展中的一门新技术、新工艺，相比其它表面技术受到了广泛的认可和普遍的应用，未来的发展潜力巨大。但也存在着很多的问题，例如电火花强化后的涂层厚度和质量等指标不能够量化，从而对工业大量使用受到限制。伴随着科技的不断进步，人们对电火花强化原理的认识会不断加强，这一技术终将为我国的现代化建设作出新的贡献。

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Research Status and Development Trend of Electro-spark Surface Deposition Technology

ZHANG Liu-wei，Shao Jun
（Taizhou Vocational College of Science and Technology，Taizhou Zhejiang 318000，China）

Electro-spark surface deposition is different from the traditional technology of a technological process.The sedimentary process of electric-spark metal river has high hardness，wear resistance and good resistance to high temperature，corrosion resistance，saving energy，saving material，environmental protection，and other characteristics.Widely used in the mold industry and automobile industry of manufacturing field，and plays an irreplaceable role.Summarized the basic principle of electric spark deposition technology and process characteristics，this paper expounds the general situation of electric-spark deposition and its optimization scheme，points out the direction of future research and technology development trend.

electro-spark；surface hardening；surface modification；development

A

1672-545X（2017）08-0076-04

2017-05-15

张留伟（1986-），男，浙江台州人，硕士研究生，讲师，主要研究方向：金属材料及表面工程。