電火花堆焊技術

1、電火花堆焊技術摘 要隨著工業(yè)的快速發(fā)展，對機械工具、模具零部件及設備零部件等的性能和使 用壽命的要求越來越高。電火花堆焊技術是一種具有獨特技術優(yōu)勢的新興材料表 面技術，在表面耐磨損、耐腐蝕抗氧化、表面修復與改性等方面具有廣闊的應用 前景，不僅應用于工具、模具與刃具、礦山、冶金、汽車、醫(yī)用器材等一般工業(yè) 領域，還可以應用于核反應堆、直升機和戰(zhàn)機引擎等高端零件。關鍵詞：電火花堆焊；表面技術；零件修復；應用現(xiàn)狀目 錄 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 摘要I HYPERLINK l bookmark7 o Current D

2、ocument 目錄II HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 1緒論1 HYPERLINK l bookmark20 o Current Document 1.1引言1 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 2電火花堆焊技術的工作原理1 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 3電火花堆焊技術的特點2 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 4電火花堆焊技術的工藝參數(shù)3 HYPERLINK l bookmark44

3、 o Current Document 4.1比沉積時間對沉積層質量的影響3 HYPERLINK l bookmark47 o Current Document 4.2沉積功率和沉積電壓對沉積層厚度的影響3 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 4.3沉積頻率對沉積層厚度的影響4 HYPERLINK l bookmark53 o Current Document 5電火花堆焊的應用現(xiàn)狀4 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 5.1金屬材料的表面改性4 HYPERLINK l bookmark59 o

4、Current Document 5.2精密機械零部件表面的尺寸修復4 HYPERLINK l bookmark62 o Current Document 5.3材料表面的異種材料堆焊5 HYPERLINK l bookmark65 o Current Document 6結語5 HYPERLINK l bookmark68 o Current Document 參考文獻.51緒論1.1引言為了改善材料的耐磨性、耐蝕性、耐高溫等性能，以提高金屬材料的使用壽命， 人們采取了許多措施，來降低生產(chǎn)成本。其中多種多樣的金屬表面處理工藝，如 堆焊、電鍍、激光熔敷、熱噴涂、氣相沉積等工藝為改善金屬表面的物

5、理、化學 性能提供了可能。近幾年，利用陶瓷材料的高耐磨、耐腐蝕、耐高溫等特性來改善金屬材料表面 性能的應用越來越廣泛，也越來越引起國內國際科研機構的重視。而金屬表面電 火花沉積技術是近期發(fā)展起來的新技術，是在傳統(tǒng)工藝基礎上發(fā)展起來的新工藝。 電火花堆焊工藝是將電源存儲的高能量電能，在金屬電極（陽極）與金屬母材（陰 極）間瞬間高頻釋放，通過電極材料與母材間的空氣電離，形成通道，使母材表 面產(chǎn)生瞬間高溫、高壓微區(qū)；同時離子態(tài)的電極材料在微電場的作用下融滲到母 材基體，形成冶金結合。經(jīng)過電火花堆焊處理的金屬母材表層能形成高硬度、高 耐磨、抗腐蝕和紅硬性好的堆焊層；而且堆焊層與基體屬于冶金結合，非常牢

6、固， 不易脫落。如由鋼制造的鋁合金壓鑄模具（內燃機齒輪端蓋），為了提高抗熱疲 勞性和抗沖蝕性，在其表面沉積電極材料，經(jīng)過的沉積處理，使堆焊層硬度可 達到，后處理工藝用油石研磨，處理后大幅度提高了模具壽命，同時，產(chǎn)品（鋁 合金端蓋）表面質量好。模具壽命由壓鑄萬件提高至萬件。2電火花堆焊技術的工作原理電火花沉積（Electro-Spark Deposition； ESD）技術是通過電火花放電的作用， 利用瞬間高脈沖能量產(chǎn)生很大電流，最大脈沖放電頻率為2000Hz，可使電流密度 最高達10-10A/cm。這種高能量，高電流將產(chǎn)生大量的熱能，使電極和工件接觸部 分的金屬熔化并且形成熔池，加上電極的往復

7、運動過程中的壓合作用，使熔池中 融化的金屬沉積到基體表面，此過程將使基體表面產(chǎn)生微小的融化區(qū)，并且金屬 發(fā)生了重新的冶金反應，實現(xiàn)了冶金結合，以形成各方面性能良好的，比如硬度 變高，耐磨性變好的合金涂層，進而實現(xiàn)了基體金屬表面的各項性能得到提高和 改善1。電火花表面加工處理方法是一個涉及到甚多學科的復雜的系統(tǒng)工程，有冶 金學，摩擦學以及材料性能等等。電火花沉積實際上屬于電火花特種加工領域。 電火花成型，電火花磨削、電火花雕刻、線切割（電火花切割）均屬于傳統(tǒng)的電 火花加工技術。這些工藝都是利用了電火花放電來對基體材料燒灼腐蝕或者去除 功能來實現(xiàn)最終的加工要求。然而本文講到的電火花堆焊則是在燒蝕去

8、除材料的 同時又將其融化，而冷態(tài)的基體金屬又使剛剛的融化區(qū)快速發(fā)生了冷卻，從而產(chǎn) 生了電火花強化的效果。我們又使沉積過程中加以氣體保護(如Ar氣的保護)， 有了氣體保護就可以使在電火花放電的同時陰陽兩極間的氬氣被電離擊穿并形成 了微小的電弧產(chǎn)生，從而致使沉積層又擁有了脈沖氬弧焊的強化效果，從而使電 極與基體金屬間形成結合強度更高的冶金結合層。3電火花堆焊技術的特點電火花堆焊是利用電極棒在工作表面旋轉，在相互接觸的微小區(qū)域瞬時(10-610-5S)流過高密度的電流(105106A/cm2)，由于放電能量在時間和空間上高度 集中，在微小的放電區(qū)域內產(chǎn)生了 500025000K的高溫，使該區(qū)域的局部

9、材料高 能離子化，電極棒高速轉移到工件表面，并擴散進入到工件表層，形成冶金型牢 固結合的沉積層。可按不同性能的要求，使工件具有高硬度、高耐磨性、高疲勞 強度、高耐腐蝕性和抗氧化、耐高溫、耐燒蝕等特殊性能，廣泛應用于工具、模 具、刃具、農機、軍工、醫(yī)藥、汽車、食品、礦山、冶金等行業(yè)機械零部件的表 面強化，以及失效零部件的表面修復。與其它表面技術相比，電火花堆焊具有如 下的優(yōu)點1-4：能量輸入低，基體保持在室溫，熱影響區(qū)及變形極小，因此，可以忽略其對 基體的影響?？焖倌獭Ｓ捎诜烹姇r間比放電間隔時間短，放電間隔期間熱量迅速擴散到 工件的其他部分，因此熱量不會集中在工件的處理部分，實現(xiàn)了真正意義的冷

10、焊。與基體冶金結合且結合強度高，明顯優(yōu)于熱噴涂。涂層細密、一致性好。僅需要少量的前處理與后處理，有時甚至不需要。適于原地或在線修復(設備移動性好)。這點對于大型工件或在線設備的修復 非常重要。適用范圍廣，可適用于所有能導電、可熔的金屬及陶瓷材料。電火花沉積還有一些其它的優(yōu)點，例如：容易自動化、環(huán)境友好(不存在噪聲、 水氣等環(huán)境污染)、可用于視線看不到的地方，如零件的內孔、凹槽部位。電火花 沉積也存在著一定的缺點，比如它的表面沉積層較薄(一般小于lmm，尤以10頃 內為佳)，沉積速度慢、效率低，因此它不適用于大的區(qū)域及形狀復雜的表面。4電火花堆焊技術的工藝參數(shù)電火花堆焊的設備和工藝對沉積效率和質

11、量的影響非常顯著。影響電火堆焊的 工藝參數(shù)很多，發(fā)達國家經(jīng)過系統(tǒng)研究，將其分類如下5：電極及其運動。材料(材料復合、密度、微觀結構)、外形、運動速度、接觸 力、循環(huán)次數(shù)等?；w材料。材料、表面粗糙度、清潔度、外形、溫度。電源。電火花能量與頻率、電壓、電容、電火花持續(xù)時間、感應系數(shù)。環(huán)境。氣體成分、氣體流量及模式、溫度。堆焊材料。根據(jù)應用場合不同，至今為止已經(jīng)使用的沉積材料有用于抗磨: 硬質碳化物(W、Ti、Cr、Ta、Mo、Hf、Zr、Nb、V等的碳化物)，耐磨堆焊合金(鎢 銘鉆合金、高鎳含銘合金)，Ti、Zr、Ta等有硼化物，金屬間化合物和金屬陶瓷。 用于耐蝕：不銹鋼，特殊合金(哈司特鎳合金

12、、因康鎳合金等)，F(xiàn)e、Ni和Ti與 Al的金屬間化合物，多元合金FeCrAlY、NiCrAlY、CoCrAlY。用于修復或改性: 鎳基或鉆基超合金，Au、Ag、Pt、Ir、Pd、Rh等貴金屬，W、Mo、Ta，Re、Nb、 Hf 等難熔金屬及其合金，F(xiàn)e、Ni、Cr、Co、AI、Ti、Cu、Zr、Zn、V、Sn、Er 等 的合金。國內對電火花堆焊的研究較晚且范圍較窄，往往以沉積層厚度作為評價性能和 選擇工藝參數(shù)的依據(jù)。因此關于電火花沉積工藝試驗研究也多集中在如何確定工 藝參數(shù)與沉積層厚度的關系和如何增加沉積層厚度上，電火花電容、電壓、頻率 以及比沉積時間等的研究上。4.1比沉積時間對沉積層質量

13、的影響在無氬氣保護狀態(tài)下，沉積層的厚度隨著時間的增長逐漸增大，當比沉積時間 達到某一值時，沉積層厚度達到最大值，隨后沉積層厚度緩慢下降。當沉積時間 超過臨界值之后，沉積層裂紋逐漸增多，并隨時間的增長，沉積層破碎減薄，孑L 隙較多，產(chǎn)生撕裂，碎化的傾向越嚴重，有些地方會出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，沉積層質量 較差。主要原因是由于電火花表面沉積是利用火花放電的能量使金屬材料在瞬間 熔化甚至氣化，然后又急劇地冷卻而凝固，在這種驟熱驟冷的過程中，沉積層內 部存在著熱應力，反復的熱作用使沉積層產(chǎn)生熱疲勞，達到一定程度后便產(chǎn)生裂 紋而最后崩裂，導致碎化、脫落現(xiàn)象的出現(xiàn)6。4.2沉積功率和沉積電壓對沉積層厚度的影響隨著電

14、火花沉積功率的增大，沉積層厚度也逐漸增大。在其它沉積條件相同的情況下，隨著沉積電壓的增大，脈沖放電能量也隨著增 大，釋放的能量也就越大，電極熔融速度變大，一次轉移的電極材料量增大，沉 積層的厚度因此也隨之增厚。同樣電火花沉積功率對電火花沉積層厚度的影響也 是很大的，在其它沉積參數(shù)一定的情況下，隨著電火花沉積功率的增大，脈沖放 電能量增大，一次轉移的電極材料體積較大，沉積層厚度也增大。4.3沉積頻率對沉積層厚度的影響隨著電火花沉積頻率的增加，電火花沉積層厚度也是不斷隨著增加的，因為隨 著頻率的增加，電極熔融速度逐漸由慢變快，所以沉積層厚度也隨之增加。5電火花堆焊的應用現(xiàn)狀電火花沉積工藝可用來沉積

15、設備的表面，在塑料模具、壓鑄模具、造紙烘缸（電 鍍表面）、擠壓模具、惡劣環(huán)境下工作的飛輪、葉輪、軋輥、機床部件、精密機械 部件的表面沉積及修補。5.1金屬材料的表面改性20世紀90年代后期，在中國大陸，中國農機院表面工程技術研究中心所研制 的大中系列電極旋轉式的電火花沉積設備得到了廣泛應用7。利用這一系統(tǒng)，同時 將92WC-8Co作為電極材料對鐵鋁壓鑄模具型腔表面進行強化層改性，顯著提高 了型腔表面的抗鋁液熱疲勞蠕變性能。1999年，Cerole Reignier在TWI雜志上發(fā) 表了一篇文章，文章描述了通過應用電火花強化工藝在金屬表面制造強化層結果， 這篇文章也認為電火花沉積強化技術在鋁壓鑄

16、模具制造方面具有廣泛發(fā)展應用前 景8。電火花沉積工藝還應用于冷沖模、客車大型模具、金屬壓印模、彎曲模、塑料 模具、鑄型模等各種模具的型腔表面改性強化。應用顯示，改性強化后的工模具 耐用度提高了 2倍以上9。冶金行業(yè)中，軋輥的主要失效形式是磨損。采用電火花工藝對其表面強化后， 壽命顯著提高，并可消除軋制金屬打滑，降低軋輥金屬板材間的粘連磨損。5.2精密機械零部件表面的尺寸修復1999年，中國農機院表面工程技術研究所與哈爾濱汽輪機廠合作10，采用電 火花堆焊工藝首次成功修復了電廠的30萬千瓦發(fā)電機組軸徑的密封段磨損面，從 而解決了這一類部件很多技術難題，如損壞后不能焊接修復，刷鍍層性能很差， 噴涂

17、結合強度不夠等等。隨后的四年中，在北京、甘肅、廣東、山東、黑龍江、 山西、云南很多地區(qū)，大中型電廠成功修復同類產(chǎn)品一百多件。精密機械零部件表面的鍍Cr層破損后，采用熔化焊接工藝很難達到滿意的堆 焊修復效果，利用電火花堆焊工藝在缺陷處堆焊Ni基材料，不僅可以恢復缺陷尺 寸，極低的熱輸入量也不會使堆焊邊緣的鍍Cr層剝離。5.3材料表面的異種材料堆焊利用電火花堆焊系統(tǒng)可實現(xiàn)不同熔點金屬間冶金結合的特點，在發(fā)動機附件燃 燒室與外環(huán)道氣道表面沉積WC-Co材料，解決了其在高速運行中金屬粘著磨損的 問題。表面鍍Cr的液壓支柱件表面層破損后，采用熔化焊接工藝堆焊修復很難達 到滿意效果，利用電火花堆焊工藝在缺

18、陷處堆焊NiCr合金材料，不僅可以恢復缺 陷尺寸，極低的熱輸入量也不會影響堆焊邊緣的鍍Cr層性能。如果電極材料與基體材料搭配不合適，堆焊層則不能與基體形成牢固的冶金結 合。6結語作為一項正在快速發(fā)展推廣的實用技術，電火花沉積堆焊工藝仍存在一些沒能 解決問題，如沉積層厚度能否更厚一些，表面粗糙度能否更小一些；另外，生產(chǎn) 效率及工藝的穩(wěn)定性、可靠性還有待提高等。而這些問題的存在與設備、材料， 特別與電火花沉積堆焊過程的機理研究是直接相連的。這些問題的存在也在很多 方面限制了該技術的應用范圍。參考文獻Galinov I V, Luban R B. Mass transfer trends during electrospark allying J. Surface and coatingTechnology, 1