电极材料对不锈钢短电弧-电化学复合加工性能影响研究＊

张儒 胡国玉 周建平 张晟晟 代向宇

（新疆大学机械工程学院，新疆 乌鲁木齐 830047）

304 不锈钢材料具有耐腐蚀性、强韧性、耐高温性和耐低温性的特点，广泛应用于船舶、航天装备等领域。因其不同的合金成分导致其材料硬度高、塑性大，传统切削加工方式难以实现高效加工，同时其散热能力差也会导致工件材料的变形及工具材料的损耗，影响加工零件的表面粗糙度[1]。

短电弧加工是一种低电压大电流的放电加工方法，利用极间放电的高能离子束来蚀除加工材料，可加工任何导电金属材料，加工效率较高。但由于短电弧加工是通过高温熔化和蒸发去除材料，加工后工件表面会覆盖着由再铸层和热影响区组成的热损伤层。特别是硬、脆的再铸层，降低了零部件的疲劳强度和使用寿命，增加了后续精加工的难度。在提高工件表面完整性方面，Zhang L 发现短电弧加工中极间存在电化学反应[2]，电化学作用能有效溶解加工后的表面再铸层及热影响层，提高加工工件的表面质量，后续提出了基于NaCl 电解质的短电弧-电化学复合加工方法（SEACM）。

国内外专家针对复合加工中的工具电极进行了研究。张彦针对电火花-电解复合加工的电极结构进行优化，揭示了电极低损耗原理[3-4]。尹青峰采用电导率比去离子水高的电解液，揭示了电沉积补偿电极损耗机理，有效减小了电极的损耗[5-6]。许超针对雾化烧蚀-电解复合加工，优化了电极的运动轨迹，加工出符合要求的型腔[7]。复合加工模式下极间作用具有不同的材料去除机制和电极损耗机制，不同的电极材料具有不同的物理特性和表面化学成分，最终会导致不同的加工效率和加工质量。因此电极材料对复合加工性能有着重要影响。本文采用短电弧-电化学复合加工方法进行不锈钢加工实验，对比不同电极材料下的加工性能差异，探索适合短电弧-复合加工方式的工具电极材料，旨在提高加工效率和工件表面质量，为这种复合加工方式的后续研究提供理论依据。

1 短电弧-电化学复合加工原理

短电弧-电化学复合加工采用具有一定电导率的盐溶液与空气混合作为工作介质，其中空气通过压力气泵提供，电解液由水泵提供，冲刷系统实现介质的循环。与短电弧加工使用的水气混合介质不同，混合工作介质同时具有介电和电解特性，良好的电导率和一定的介电强度使得极间同时发生短电弧加工、电化学反应以及短电弧-电化学复合加工。加工原理如图1 所示，极间通过电弧的高能量快速蚀除工件材料，短电弧加工中的高密度能量会导致工件表面产生微裂纹和凹坑，加工表面质量下降。同时极间电化学作用会对已加工的表面进行修整，电极的底部与工件表面会形成电化学场，使电化学溶解发生在阳极工件表面，能有效溶解加工表面的熔融颗粒和微裂纹，实现电解去除表面重铸层，消除加工后工件表面的残余应力，有助于提高工件表面质量和抗疲劳使用性能。

图1 短电弧-电化学复合加工原理图

2 试验装置及方案

2.1 实验设备和材料

本实验在原有短电弧专用铣削机床基础上添加电解液循环系统，组成短电弧-电化学复合加工实验平台，如图2 所示。检测仪器包括DEWESOFT SIRIUS 多通道数据采集系统，扫描电子显微镜（JSM-5600LV），超景深三维显微镜（VXH-6000）。实验工件材料为304 不锈钢，工件尺寸为30 mm×30 mm×10 mm，其化学成分如表1 所示。实验电极采用外径为18 mm，内径为8 mm 的中空管状电极，选择铝、紫铜、石墨和304 不锈钢作为电极材料，铝、紫铜、石墨和304 不锈钢的物理性质如表2 所示。

表2 电极材料的物理性质

图2 短电弧专用铣削机床与自制电解液循环系统

表1 304 不锈钢工件成分

2.2 加工过程和条件

为了探究不同电极材料对短电弧-电化学复合加工的影响规律，进行3 组电压参数下不同电极材料加工的对比实验。为了保证电弧加工的能量，使材料去除明显，采用正极性的加工方式。同时采用浓度为5% 的NaCl 溶液混合空气作为工作介质，保证了电弧加工极间的冲刷效果，该浓度下介质具有高电导率，能提供稳定的电化学反应的介质环境。具体实验加工参数如表3 所示。

表3 实验加工参数

3 实验结果与分析

3.1 电压电流波形分析

图3 是4 种不同电极材料加工时的极间电压与电流波形。加工过程中存在短电弧随机放电时产生大电流波形以及非放电状态下波浪状的持续电解波形，说明短电弧-电化学加工中电弧放电与电化学作用同时存在。电弧放电峰值电流与其材料热物理性能相关，石墨、紫铜、不锈钢和铝电极的电弧放电峰值电流分别在260 A、252 A、300 A 和170 A附近波动，石墨电极的放电群组更为密集，单位时间内放电能量更大，这与石墨的高熔沸点有关。但不同电极的材料其合金成分不同，再加上晶体的不规则性使得工件表面的电流密度分布不同，电解电流的大小也不相同[8]。可以看到紫铜电极加工时有着35 A 稳定的电解电流，其平均电解电流均大于其他3 种电极材料，使用紫铜电极时的极间电化学作用最强。这是因为加工过程中，铝电极和不锈钢电极的损耗较大，会影响加工时的介质间隙，同时改变电极表面的电场分布。由于工具和工件之间的距离的增加，导致极间电解质的导电性变差，电阻增加，造成工件表面的电流密度分布不均匀，溶解速率随着间隙尺寸的增大而减小，使电化学溶解能力减弱。

图3 不同电极材料加工波形

3.2 MRR 分析

短电弧-电化学复合加工的材料去除率与极间反应的能量大小有关，通过极间反应的电流波形及平均电流密度可以得出复合加工的绝大多数材料是由短电弧放电作用完成，极间电化学溶解主要用于去除工件表面再铸层。所以复合加工的材料去除率取决于极间的放电作用，其大小受电极的热物理性质影响很大。图4a 显示了不同电极加工不锈钢工件的材料去除率，可以看到，随着加工电压的上升，石墨和紫铜具有较高的材料去除率，25 V 加工电压下紫铜电极的材料去除率达到了76.08 mm3/min，是铝电极材料去除率的3 倍以上。这是因为铝电极的熔点低，加工过程中损耗过大，造成加工后工件的实际铣削深度达不到预定的深度，MRR 显著下降。石墨电极的材料去除率小于紫铜电极，这是因为石墨的热导系数约为紫铜的1/8，紫铜电极热传导效率更快，使得加工中的等离子通道缩小，热量更集中，放电能量增加导致MRR 上升[9]，而石墨则需要更多的时间来消散自身产生的热量，传递到放电通道的热量减小，MRR 减小，同时紫铜加工时的电解电流最大，在脉冲间隔时期，极间电化学作用修整了工件的表面，一定程度上也增加了材料的去除。

3.3 RTWR 分析

图4b 显示了随着电压的上升，电极损耗呈现减小的趋势。这是因为加工采用NaCl 盐溶液，电解质导电性增加，使得极间脉冲能量增加，工件材料更容易发生熔融溅射，增加极间碎屑的转移速率，在电极表面形成溅射层，减小了电极损耗[4]。4 种电极材料的相对电极损耗率排序为：不锈钢＞铝＞石墨＞紫铜，紫铜相对电极损耗率仅为4.64%，远小于不锈钢电极损耗率92.6%，这是因为紫铜电极具有高导热性，电极自身吸收的能量较小，较高的电解电流使得极间电化学作用更强，更多工件材料溶解并以离子形式进入电解质，导致更多金属离子移动到工具电极表面并被吸附沉积，降低了电极的损耗[6]。不锈钢电极损耗最大，这是因为不锈钢电极导热性差，加工过程不稳定，加工中热量不能及时的传递出去，在高温等离子体作用下更易形成损耗，同时不锈钢表面易生成氧化膜，减小了溅射层的形成速度，降低了补偿效率。铝电极的损耗主要是由于电极材料中铝的熔点低造成的。

图4 不同电极材料对MRR、TWR 和SA 影响曲线

3.4 工件表面宏观分析

不同电极材料加工的工件表面粗糙度如图4c所示。随着电压的上升，石墨电极的表面粗糙度逐渐增加，其他电极材料呈现下降的趋势。这是因为金属电极极间更容易产生电化学作用。如图5 是使用超景深显微镜拍摄的加工表面二维平面图和三维轮廓图。可以看出铝电极加工过的表面中间有明显的凹坑，凹坑分布范围大，由许多细小电蚀坑叠加而成。而石墨加工过的表面有较深的棱脊且周围堆积大量熔物，这是因为石墨的密度小，材质疏松，加工过程中易被吸附，加工稳定性差，容易产生电弧烧蚀现象，造成表面粗糙度较大[10]。紫铜电极和不锈钢电极加工过的表面较为平坦，因为紫铜和不锈钢电极的电阻率相对较大，极间等效电阻增加，两电极之间的电场强度和介质击穿速率增大，能够产生良好的放电分散效果，这减少了熔融物堆积引起的电弧燃烧现象，且蚀刻坑深度减小，工件表面粗糙度减小。同时紫铜电极在电弧高温高热作用下具有较强的抗冲击和抗裂性，成形凹坑尺寸减小，加工表面更加平整。

图5 不同电极材料加工工件表面形貌

3.5 工件表面微观形貌分析

如图6 是使用扫描电子显微镜观察到的不同电极加工后的工件表面微观形貌。可以看到石墨电极加工的表面有较大的球状颗粒与较深的凹坑，表面质量最差。而铝电极加工后的表面有许多工作介质冷却形成的细小球状颗粒，同时分布着大量的不均匀的斑块，表面没有明显的微裂纹。这是典型的短电弧-电化学复合加工出来的表面样貌，极间的电化学作用溶解了一些较大的颗粒与凹坑，加上电解液的冲刷，形成了微小的冲蚀孔洞及颗粒。紫铜加工时极间的电化学作用最强，表面的粗糙度会随着电流密度的增加而减小，表面的再铸层和微裂纹都会被溶解，且短电弧放电和电化学反应更加稳定，加工出来的表面相对平整，只有少量的重铸颗粒附着在表面。不锈钢加工出来的表面具有显著的裂纹表面缺陷，这是因为在极间电解质的快速冲刷下，熔化的材料迅速冷却凝固，使得材料内部的热应力不能迅速释放，进而在交界处形成微裂纹，导致表面抗疲劳能力降低。

图6 不同电极材料加工工件表面微观形貌

3.6 元素分析

可以从图7 看到工件表面有304 不锈钢的基体元素如Fe、Mn、Cr 和C 等元素，石墨电极和不锈钢电极加工后工件表面的C 元素含量均有提高，而石墨电极加工的工件表面C 含量明显增多，不锈钢电极加工的工件表面Fe 含量明显增多，是因为石墨电极、不锈钢电极加工时放电直接作用于工件表面，放电通道中的带电粒子到达工件表面或工具电极时会产生高速冲击，工具电极材料在冲击后发生迁移、熔化和扩散，最终残留在工件表面。不锈钢电极加工后的表面O 的含量明显减少，这是因为金属电极极间电化学作用强，电化学溶解会去除工件表面氧化膜，减少工件表面的锈蚀物。而在紫铜电极加工后的表面则大多是不锈钢的基体元素，没有发现残留的Cu 元素，原因是工件表面发生了较强的电化学作用，紫铜电极迁移的材料被极间电化学溶解，工件表面质量更好。

图7 不同电极材料加工工件表面成分

3.7 再铸层分析

分析4 种不同电极加工后的断面形貌差异，如图8 所示。可以看出石墨电极加工后的表面重铸层最厚，再铸层覆盖了整个加工的表面，再铸层最大厚度为24 μm，大于不锈钢电极的再铸层厚度17 μm，因为石墨加工过程中组织相变产生的热应力较大，同时具有较低的导热率，导致极间碎屑易重熔粘结，电介质不能冲刷掉熔融金属，会在工件表面上产生更多的熔融金属残留物。金属电极加工后工件截面没有明显的再铸层分层现象，铝和不锈钢加工出来的截面存在少量残余再铸层，这是加工时极间电化学作用的结果，而紫铜电极加工出的表面几乎没有再铸层，这是因为紫铜电极加工时电化学作用最强，复合加工过程中的电化学溶解作用确实有效地去除了电弧放电高温熔融所产生的再铸层，同时紫铜电极的导热率最高，会使热量传递到极间工作介质，使得极间的介质温度升高，增加电化学反应速率，再铸层去除更为完整。

图8 不同电极材料加工工件截面微观形貌

4 结语

本文针对304 不锈钢在短电弧-电化学复合加工不同电极材料下的加工性能进行了实验研究，可以得出以下结论：

（1）电极材料对短电弧-电化学复合加工的性能有着重要影响，当采用铝、石墨、紫铜和不锈钢为加工电极材料时，MRR 的大小为紫铜＞石墨＞不锈钢＞铝，RTWR 的大小为紫铜＜石墨＜铝＜不锈钢，紫铜电极具有相对高的材料去除率和低的电极损耗率。

（2）通过对截面微观样貌和元素含量分析，石墨电极的导热能力差，极间电化学作用较弱，材料更容易重铸。紫铜电极电化学溶解能力最强，工件截面的再铸层均被溶解，加工后的工件表面质量更好。

（3）通过极间放电波形和表面微观形貌分析，采用紫铜电极时，加工状态稳定，在保证加工效率和低损耗的同时，极间电解电流最大，同时电化学作用明显，加工出来的工件表面质量最好，所以紫铜相对其他3 种电极更适合作为短电弧-电化学复合加工的工作电极。