電火花沉積表面處理技術的應用進展

電火花沉積表面處理技術的應用進展

作者：宋成傑

[摘要]

電火花沉積是一種具有獨特技術優勢，節能、省材、環保的新興材料表面處理技術，不僅廣泛應用於工具、模具、刃具、礦山、冶金、汽車、醫用器材等一般工業領域，還可以應用到核反應堆、直升機和戰機引擎等軍工零部件的表面處理。介紹了電火花沉積技術的特點，通過典型事例介紹了該技術在耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、表面修復與改性方面的應用，分析了電火花沉積技術的應用現狀，指出了國內在電火花應用和研究方面與國外的差距，並提出了促進我國表面技術研究者積極研究並大力推廣應用的建議。

[關鍵詞]電火花沉積；耐磨性；抗氧化；表面修復；塗層

0引言

現代工業對零件表面性能的要求越來越高。在高溫、高速、高壓、重載、腐蝕性介質下工作的零部件，其失效往往與表面的磨損、腐蝕、氧化等有關。因此，對零件表面處理技術的研究日益引起了人們的重視。表面處理技術方法很多，包括電鍍、熔滲、CVD、PVD等傳統方法及近30年發展起來的熱噴塗、TD處理、電火花沉積(Electro spark Deposition，ESD)等，不同的表面處理技術各有特點。傳統技術工藝成熟，應用穩定，但也面臨新技術的衝擊。本文介紹了電火花沉積的技術特點及其典型應用。

1.電火花沉積技術的特點

電火花沉積利用電極棒在工作表面旋轉，在相互接觸的微小區域瞬時(10-6—10～s)流過高密度的電流(105-106A／cm：)，由於放電能量在時間上和空間上高度集中，於是在放電微小的區域內產生了約8 000～10 000。C的高溫，使該區域的局部材料高能離子化，在電場作用下高速轉移到工件表面，並擴散進入到

工件表層，形成冶金型牢固結合的沉積層。該方法可按不同性能要求，使工件具有高硬度、高耐磨性、高疲勞強度以及高耐腐蝕性和抗氧化、耐高溫、耐燒蝕等特殊性能，廣泛應用於工具、模具、刃具、農機、軍工、醫藥、汽車、食品、礦山、冶金等行業機械零部件的表面強化，以及失效零部件的表面修復。與其它表面處理技術相比，電火花沉積具有如下優點：

1)能量輸入低，基體保持室溫，熱影響區及變形極小；因此，可以忽略對基體的影響。

2)快速凝固。因爲放電時間比放電間隔時間短，放電間隔期間熱量迅速擴散到工件的其他部位，因此熱量不會集中在工件的處理部位，實現真正意義的冷焊。

3)塗層與基體呈冶金結合，結合強度高，在這方面明顯優於熱噴塗。

4)塗層細密，均勻性好。

5)只需要少董的前處理和後處理，有時甚至不需要。

6)適於在線修復(設備移動性好)，這點對於大型工件或在線設備的修復非常重要。

7)適用範嗣廣。適用於所有導電、可熔的金屬及陶瓷材料。電火花沉積還有一些其它的優點，例如：容易自動化；環境友好(不存在噪聲、水氣等環境污染)；可用於視線看不到的地方，如零件的內孔、凹槽部位。但電火花沉積也存在着一定的缺點，比如它的表面沉積層較薄(一般小於1mm)，沉積速度慢，效率低，因此不適用於大的區域及形狀複雜的表面。

2 電火花沉積技術的應用

電火花沉積可以作爲表秒強化手段，對具有耐磨損、耐腐蝕、抗氧化要求的表面進行強化處理，或者通過堆焊進行表面修復，也可以製備各種特殊的功能塗層，根據不同的應用場合，至今爲止已經使用的沉積材料有：

（1）用於耐磨 硬質化合無（W Ti Cr等的化合物）

（2）用於耐腐蝕 不鏽鋼 Ni和Ti的金屬合金

（3）用於修復或者改性 鎳基或鈦基超合金

目前，電火花沉積技術廣泛的應用於道具和模具、內科和外科的整形工具。高科技的運動裝備、核反應堆、石油系統等的表面耐磨塗層，以及各種槍械零件、賽車發動機與航天飛機的發動機。

2．1表面抗氧化、耐腐蝕塗層的應用

電火花沉積塗層可用於保護工件，防止其在高溫下氧化。把Al塗層應用到Ti工件上，由於在塗層和工件表面之間形成了Y．AI：O，和TiAI，的金屬問化合物，工件工作溫度可提高到700．1 000。C L z ZJ。45鋼表面沉積Cr、W、Mo和Ni等塗層，能提高其在水中的耐腐蝕性能；鋁壓鑄模表面電火花沉積WC、TiB：、TiN等陶瓷塗層，其耐鋁液熱浸蝕性能優於滲氮工藝強化的材料，可以大大提高模具的使用壽命。地熱蒸汽渦輪機橫隔板表面電火花沉積耐熱塗層，其使用壽命可得到提高。

2．2表面修復與改性塗層的應用

模具在使用過程中不避免會出現諸如磨損、劃傷、針孔、裂紋以及缺損等缺陷。傳統的修復存在一些問題，如修復模具後造成模具變形、硬度降低、內庇力、沙眼、損傷甚至報廢。而電火花沉積表面強化操作簡單、低熱輸入，模具修補時無須預熱，因而模具不變形、不退火，咬邊和殘餘庇力，不改變模具或產品的金屬組織狀態。電火花沉積技術適用基材廣，包括低碳鋼、中碳鋼、模具鋼、不鏽鋼、工具鋼、鑄鐵、鑄鋼、鑄鋁、鋁合金、銅合金、鎳合金、碳鎢合金等，以及所有可以導電的導電體；還可現場在線修復，提高生產效率，節省時間和費用，並保證修復精度。國外已經成功地利用電火花沉積修復了飛機發動機的葉片、地獄烈火直升機導彈栓，並取得良好的效果。鍍鉻層表面也可通過電火花沉積進行修復，顯微形貌表明界面結合良好。汪瑞軍糾正嚴重沖蝕的蒸汽輪機殼體鑄鐵密封面採用電火花堆焊Ni基材料修復沖蝕缺陷，達到原始要求。何水雲等引對衝壓模N系列後立柱外板、全順後立柱外板進行電火花堆焊，修復了受損的模具。劉開升Ⅲ1在挖掘機液壓活塞桿(45鋼)表面電火花沉積Ni基合金，成功修復該零件並對單晶葉片的修復，效果良好。電火花塗層在其它方面也存在廣泛的應用前景。例如，通過電火花沉積含貴金屬Ag的塗層，汽輪發電機中某Ti基零件的接觸電阻從198釁降到26釁。通過在鍍鋅鋼板點CrZrCu電極表面電火花沉積TiC塗層，可以減少因鋼板上鋅向電極轉移而產生的合金化，提高電極表面的硬度，從而顯著提高使用壽命。

3 結語

電火花表面強化技術是具有特殊強化效果和獨特技術價值的一種新工藝，在未來的發展潛力巨大。電火花表面沉積在表面塗層預防保護和堆焊修復方面的應用，對於提高生產效率，降低成本作用明顯。但它也存在一些不足之處，如電火花沉積層的表面粗糙度不容易控制，生產效率低，可靠性和穩定性還有待於進一步提高等；尤其在我國，電火花沉積技術的研究起步較晚，技術力量薄弱，工藝研究範圍較窄，電火花表面技術的應用(尤其是高端和重要零部件上的應用)鮮有報導，設備的可控參數及其自動化方面等均與國外先進技術有較大差距。因此，我們需要進一步深入電火花放電機理等基礎性研究，這時將電火花的基礎研究、設備製造及應用開發方面起重要的指導作用；加強控制與設備自動化研究，通過機械手、程序化的操作，提高塗層的質量和穩定性，並提高沉積效率；進一步加強電火花工藝參數的研究。國內對塗層材料的研究主要集中在硬質合金和陶瓷材料方面，但其它具有優異性能的難熔金屬與金屬間化合物的研究也值得展開。同時，作爲電火花表面沉積技術的研究者，要大力開發並推廣應用電火花沉積技術。電火花沉積作爲一種新興的材料表面處理技術，在工具、模具、軍工、冶金等領域大有可爲。我們應該對這一表面處理新技術引起足夠的重視，以市場爲導向，大力開發和推廣。相信隨着這一新興表面處理技術的發展，必將會有越來越多的人投身到該技術的研究中，這一技術必將得到廣泛應用，在材料表面處理方面發揮重要作用。