电火花沉积表面处理技术的应用进展

电火花沉积表面处理技术的应用进展

作者：宋成杰

[摘要]

电火花沉积是一种具有独特技术优势，节能、省材、环保的新兴材料表面处理技术，不仅广泛应用于工具、模具、刃具、矿山、冶金、汽车、医用器材等一般工业领域，还可以应用到核反应堆、直升机和战机引擎等军工零部件的表面处理。介绍了电火花沉积技术的特点，通过典型事例介绍了该技术在耐磨损、耐腐蚀、抗氧化、表面修复与改性方面的应用，分析了电火花沉积技术的应用现状，指出了国内在电火花应用和研究方面与国外的差距，并提出了促进我国表面技术研究者积极研究并大力推广应用的建议。

[关键词]电火花沉积；耐磨性；抗氧化；表面修复；涂层

0引言

现代工业对零件表面性能的要求越来越高。在高温、高速、高压、重载、腐蚀性介质下工作的零部件，其失效往往与表面的磨损、腐蚀、氧化等有关。因此，对零件表面处理技术的研究日益引起了人们的重视。表面处理技术方法很多，包括电镀、熔渗、CVD、PVD等传统方法及近30年发展起来的热喷涂、TD处理、电火花沉积(Electro spark Deposition，ESD)等，不同的表面处理技术各有特点。传统技术工艺成熟，应用稳定，但也面临新技术的冲击。本文介绍了电火花沉积的技术特点及其典型应用。

1.电火花沉积技术的特点

电火花沉积利用电极棒在工作表面旋转，在相互接触的微小区域瞬时(10-6—10～s)流过高密度的电流(105-106A／cm：)，由于放电能量在时间上和空间上高度集中，于是在放电微小的区域内产生了约8 000～10 000。C的高温，使该区域的局部材料高能离子化，在电场作用下高速转移到工件表面，并扩散进入到

工件表层，形成冶金型牢固结合的沉积层。该方法可按不同性能要求，使工件具有高硬度、高耐磨性、高疲劳强度以及高耐腐蚀性和抗氧化、耐高温、耐烧蚀等特殊性能，广泛应用于工具、模具、刃具、农机、军工、医药、汽车、食品、矿山、冶金等行业机械零部件的表面强化，以及失效零部件的表面修复。与其它表面处理技术相比，电火花沉积具有如下优点：

1)能量输入低，基体保持室温，热影响区及变形极小；因此，可以忽略对基体的影响。

2)快速凝固。因为放电时间比放电间隔时间短，放电间隔期间热量迅速扩散到工件的其他部位，因此热量不会集中在工件的处理部位，实现真正意义的冷焊。

3)涂层与基体呈冶金结合，结合强度高，在这方面明显优于热喷涂。

4)涂层细密，均匀性好。

5)只需要少董的前处理和后处理，有时甚至不需要。

6)适于在线修复(设备移动性好)，这点对于大型工件或在线设备的修复非常重要。

7)适用范嗣广。适用于所有导电、可熔的金属及陶瓷材料。电火花沉积还有一些其它的优点，例如：容易自动化；环境友好(不存在噪声、水气等环境污染)；可用于视线看不到的地方，如零件的内孔、凹槽部位。但电火花沉积也存在着一定的缺点，比如它的表面沉积层较薄(一般小于1mm)，沉积速度慢，效率低，因此不适用于大的区域及形状复杂的表面。

2 电火花沉积技术的应用

电火花沉积可以作为表秒强化手段，对具有耐磨损、耐腐蚀、抗氧化要求的表面进行强化处理，或者通过堆焊进行表面修复，也可以制备各种特殊的功能涂层，根据不同的应用场合，至今为止已经使用的沉积材料有：

（1）用于耐磨 硬质化合无（W Ti Cr等的化合物）

（2）用于耐腐蚀 不锈钢 Ni和Ti的金属合金

（3）用于修复或者改性 镍基或钛基超合金

目前，电火花沉积技术广泛的应用于道具和模具、内科和外科的整形工具。高科技的运动装备、核反应堆、石油系统等的表面耐磨涂层，以及各种枪械零件、赛车发动机与航天飞机的发动机。

2．1表面抗氧化、耐腐蚀涂层的应用

电火花沉积涂层可用于保护工件，防止其在高温下氧化。把Al涂层应用到Ti工件上，由于在涂层和工件表面之间形成了Y．AI：O，和TiAI，的金属问化合物，工件工作温度可提高到700．1 000。C L z ZJ。45钢表面沉积Cr、W、Mo和Ni等涂层，能提高其在水中的耐腐蚀性能；铝压铸模表面电火花沉积WC、TiB：、TiN等陶瓷涂层，其耐铝液热浸蚀性能优于渗氮工艺强化的材料，可以大大提高模具的使用寿命。地热蒸汽涡轮机横隔板表面电火花沉积耐热涂层，其使用寿命可得到提高。

2．2表面修复与改性涂层的应用

模具在使用过程中不避免会出现诸如磨损、划伤、针孔、裂纹以及缺损等缺陷。传统的修复存在一些问题，如修复模具后造成模具变形、硬度降低、内庇力、沙眼、损伤甚至报废。而电火花沉积表面强化操作简单、低热输入，模具修补时无须预热，因而模具不变形、不退火，咬边和残余庇力，不改变模具或产品的金属组织状态。电火花沉积技术适用基材广，包括低碳钢、中碳钢、模具钢、不锈钢、工具钢、铸铁、铸钢、铸铝、铝合金、铜合金、镍合金、碳钨合金等，以及所有可以导电的导电体；还可现场在线修复，提高生产效率，节省时间和费用，并保证修复精度。国外已经成功地利用电火花沉积修复了飞机发动机的叶片、地狱烈火直升机导弹栓，并取得良好的效果。镀铬层表面也可通过电火花沉积进行修复，显微形貌表明界面结合良好。汪瑞军纠正严重冲蚀的蒸汽轮机壳体铸铁密封面采用电火花堆焊Ni基材料修复冲蚀缺陷，达到原始要求。何水云等引对冲压模N系列后立柱外板、全顺后立柱外板进行电火花堆焊，修复了受损的模具。刘开升Ⅲ1在挖掘机液压活塞杆(45钢)表面电火花沉积Ni基合金，成功修复该零件并对单晶叶片的修复，效果良好。电火花涂层在其它方面也存在广泛的应用前景。例如，通过电火花沉积含贵金属Ag的涂层，汽轮发电机中某Ti基零件的接触电阻从198衅降到26衅。通过在镀锌钢板点CrZrCu电极表面电火花沉积TiC涂层，可以减少因钢板上锌向电极转移而产生的合金化，提高电极表面的硬度，从而显著提高使用寿命。

3 结语

电火花表面强化技术是具有特殊强化效果和独特技术价值的一种新工艺，在未来的发展潜力巨大。电火花表面沉积在表面涂层预防保护和堆焊修复方面的应用，对于提高生产效率，降低成本作用明显。但它也存在一些不足之处，如电火花沉积层的表面粗糙度不容易控制，生产效率低，可靠性和稳定性还有待于进一步提高等；尤其在我国，电火花沉积技术的研究起步较晚，技术力量薄弱，工艺研究范围较窄，电火花表面技术的应用(尤其是高端和重要零部件上的应用)鲜有报导，设备的可控参数及其自动化方面等均与国外先进技术有较大差距。因此，我们需要进一步深入电火花放电机理等基础性研究，这时将电火花的基础研究、设备制造及应用开发方面起重要的指导作用；加强控制与设备自动化研究，通过机械手、程序化的操作，提高涂层的质量和稳定性，并提高沉积效率；进一步加强电火花工艺参数的研究。国内对涂层材料的研究主要集中在硬质合金和陶瓷材料方面，但其它具有优异性能的难熔金属与金属间化合物的研究也值得展开。同时，作为电火花表面沉积技术的研究者，要大力开发并推广应用电火花沉积技术。电火花沉积作为一种新兴的材料表面处理技术，在工具、模具、军工、冶金等领域大有可为。我们应该对这一表面处理新技术引起足够的重视，以市场为导向，大力开发和推广。相信随着这一新兴表面处理技术的发展，必将会有越来越多的人投身到该技术的研究中，这一技术必将得到广泛应用，在材料表面处理方面发挥重要作用。