电火花表面强化技术读书报告

1、电火花表面强化技术现状与发展学生姓名：王清指导老师：徐雪峰浙江工业大学机械工程学院摘 要电火花表面强化技术是先进的表面工程技术之一, 具有节能、节材、环保等特点, 已广泛应用于模具和刀具的强化。介绍了电火花表面强化技术的特点、国内外工艺与技术的研究现状及最新进展, 并提出了加快我国电火花表面强化技术研究及应用的建议, 旨在进一步扩展该技术的应用领域。关键词：电火花；表面强化；沉积1 引言表面工程是改善机械零件基体材料表面性能的一门工程技术学科。统计结果表明，世界钢材的10%因腐蚀而损失，70%的机电产品因磨损和腐蚀而失效，在机电产品制造和使用中约三分之一的能源消耗于摩擦磨损。这些损失的关键在“

2、表面”，磨损和腐蚀都从表面开始。因此，采用一定的技术措施提高零部件材料表面性能，预防和减缓表面失效，是表面工程领域所要解决的关键问题1，2。电火花表面强化方法是表面工程技术的重要分支之一，是通过火花放电作用把一种导电材料涂覆熔渗到基体材料的表面，形成合金化的表面强化层，从而改变后者表面的物理、化学性能和力学性能的工艺方法3。与其他表面强化技术相比具有许多优点，主要表现在以下几个方面：（1）工艺设备简单，不需要特殊的、复杂的处理装置，使用灵活；（2） 可对平面或曲面零件表面局部强化；（3）放电的热作用只在微小区域产生影响，不会引起工件基体的退火或产生热变形；（4）强化层是电极材料和工件材料冶金结

3、合的产物，结合强度高；（5）可以自由选择电极材料和调节工艺参数，达到不同的强化目的；（6）容易操作使用，不需高级专业人员4。因此，电火花强化技术在航空、航天、军事、能源等诸多领域得到广泛应用2 电火花表面强化2.1 电火花表面强化原理电火花表面强化技术的基本原理是储能电源通过电极以 10 2000 H z的频率在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即达到 8000 25000 e 的高温，使该区域的局部材料熔化、气化或等离子体化，将电极材料高速过度并 扩散 到工 作表 面，形成冶 金结 合型 牢固 强化层7。电火花强化工艺设备主要由振动器电源和振动器等 构

4、成。振动 器电源包 括振动 电源和脉 冲电源。工作时, 振动电源给振动器供电, 振动器夹持电极作上下往复或旋转运动，而脉冲电源给电极和工件供电, 使两者之间产生电火花放电。原理示意图如图 1所示：图1 电火花表面强化工作原理图2.2 电火花表面强化原理电火花强化过程可分为三个阶段: 低压击穿条件形成阶段; 火花放电阶段; 电极与 工件分离阶段。主要强调强化过程中电极运动状态阶段性变化。如图 2所示:图2 电火花表面强化过程的电极运动状态低压击穿条件形成阶段, 如图 a, 电路断路; 火花放电阶段, 如图 b和 c。当电极向下运动并且与工件之间的间隙接近到一定距离时, 间隙中的空气在所加电压的作

5、用下被击穿, 产生火花放电, 如图 b。使电极和工件材料表面局部熔化, 甚至气化。当电极继续接近工件并与工件接触时, 如图 c。在接触点处流过短路电流, 使该处继续加热, 并以适当压力压向工件, 使电极和工件表面熔化了的材料相互粘结, 扩散形成熔渗层。电极与工件离开阶段, 如图 d。当电极离开工件, 由于工件的体积和吸收、传导的热容量比电极大, 使靠近工件的熔化层首先散热急剧冷凝,从而使电极表而熔融材料粘结, 并覆盖在工件上。3 电火花强化技术的发展概况3.1 电火花强化设备发展历史20世纪40年代,前苏联的学者拉扎连柯夫妇在研究电腐蚀现象的基础上首次将电腐蚀原理运用到了生产加工制造领域,并于

6、1943年提出电火花表面强化工艺(Electrical Discharge Hardening 简称EDH),收到了显著的效果。1950年，前苏联中央电气科学研究所研制了AK系列电火花表面强化机,中央机器与工艺学研究所也研制了K系列电火花表面强化设备。欧美和日本分别从五十年代和六十年代开始研究和应用电火花表面强化工艺,主要产品有美国制造的 1269、TVNGCAR B220和 F - 5, 英国制造的SPARKCARD,法国制造的CARBUMATIG,日本制造的 DEPOSITION等。这些设备一般为功率在200W以内的手工操作设备,主要用于模具和刀具的表面强化。1964年,摩尔达维亚科学院应

7、用物理研究所及所属基希涅人实验工厂研制了手工操作和机械化的AE中系列强化机 C711, 在前苏联的机器制造、工具、仪器等工业部门得到广泛应用,该厂在七十年代生产了采用可控硅和晶体管脉冲发生器的新型10系列强化机, 改变了合金化控制方法,并使用了新型操作工具。1978-1979年间在前苏联应用的37台AEI系列强化设备节约了大量更换新设备费用。进入九十年代后,日本的电火花强化技术得到很大发展, 研制的电火花强化设备功率较大,涂层厚度有所增加,可获得较均匀的表面强化层。我国应用电火花表面强化工艺始于 20 世纪 50年代末, 由于当时缺乏基础理论和应用技术等,未能得到推广。1977年,机械工业部苏

8、州电加工机床研究所开始对强化工艺和设备进行系统的分析和研究,研制出了D91系列。该系列强化机是由泰州海陵电器厂批量生产, 并且大量地应用于已磨损的模具、量具和机器零件的强化和微量修补及在淬火工件上打孔、去除折段的工具,取得了良好的经济效益。上世纪90年代,强化机在研制上取得了新的进展,航空第一集团下属的西安庆安集团有限公司研制出了一种 ZS- 116型号的电火花表面强化机。强化特点是电流调节范围大, 可用于多种电火花强化工艺。目前,中国科学院金属研究所研制出了一系列 3H - ES型脉冲发电电火花表面强化修复机高能电微弧脉冲冷焊加工设备, 是基于对电焊冶金过程的时间与空间微分化处理的结果。特点

9、是热影响小、工件不变形, 沉积层与基材之间冶金结合牢固,亦可以很方便地到现场进行在线表面强化与修复。63.1 电火花强化理论研究现状电火花强化技术这个概念最早是由前苏联学者提出, 并命名为电火花合金化, 而在日本称为电火花表面沉积/堆焊7。国外研究者在电火花强化理论方面,进行了比较广泛和深入的研究。前苏联学者研究了强化层的形式和得到最佳强化效果的相关结论。E. Levashow 等人使用高分辨率电子显微镜、X射线光电子光谱对铝合金强化层的微观结构和化学成分进行了分析。这些研究奠定了电火花强化技术的基础。国内一些高等院校和机械设计院在电火花强化机理和应用方面做了大量工作。为了在实用中能获得最佳强

10、化过程, 并提前预测强化层的特性, 就必须知道影响强化层相结构、物理化学性能、应力状态和它的硬度、粗糙度、耐磨性、高温稳定的各种因素。这些因素包括电极材料、介质成分、电气参数、电极振动方式等, 很多研究者都作了相关理论的研究。进入20世纪90年代, 随着现代化科技的发展, 人们对强化机理有了更深一步的了解, 电火花表面强化技术得到进一步的发展。近年来, 国内对电火花表面强化层厚度影响的因素做出了大量的实验研究和归纳。电火花强化工艺中, 强化层厚度最能体现强化的效果, 以下几点是说明工艺参数与强化层厚度的关系:( 1)强化层的厚度与电气参数有关系。相应提高电压值、电容值, 对提高涂层厚度有效。新

11、型设备较传统设备强化功率有较大的提高, 提高单个脉冲能量, 有利于涂层增厚。( 2)强化层的厚度与电极的物理性能有很大关系。熔点高、导热和导电性能好的材料, 涂层对涂层厚度没有明显增加。( 3)强化层的厚度与强化时间有关系。采用新型设备, 较传统机强化时间极大地缩短, 涂层的厚度提高1 2 mm, 涂层的表面质量较好。( 4)强化层的厚度与使用保护气体有关。使用氩气保护, 可以防止电极材料的氧化, 有利于电极材料的均匀过度, 有效改善涂层的质量。 ( 5) 强化层的厚度与电极的运动方式有关。电极采用旋转式, 相对于传统设备的振动式由点堆积的不连续和不均匀性变为线接触, 保证涂层的均匀连续性。同

12、时旋转电极还提高了强化速率。还有一些研究者还对不同电极材料的强化性能做了大量研究, 主要对强化层的硬度、热硬性、耐磨、耐腐蚀性能进行了研究。从发展的过程来看, 电火花强化理论经历了不同的历史阶段, 国外有学者把电火花强化技术从机理上分为两大类8-15,如图3所示：图3 电火花强化技术分类4 电火花强化工艺的研究现状在电火花强化过程中，强化工艺方法对强化层的形成及强化层的性能产生很大的影响，合理地选择工艺参数可以得到性能优良的强化层，为此，国内外研究人员进行了大量的理论和实验研究，研究内容包括强化层的形成规律、工艺参数优化、电极选择等方面。为了研究电极材料如何向基体过渡的问题，美国的 A.Aga

13、rwal 等人提出质量过渡这一概念，并认为在火花放电过程中，同时存在液、气相两种状态，电极材料与基体材料通过原子合金化过程扩散、沉积到基体表面上。在空气中强化时，高温高压使空气等离子化，熔滴被等离子气流加速，冲击基体表面并向四周溅射。作者利用这一观点也解释了强化层表面溅射状的形貌的成因131416N.Parkansky 研究了阳极质量损失与电极材料的热物理性质的关系，认为在一般情况下，作为电极材料的阳极质量损失与强化时间呈正比关系，并且在强化初期阳极质量损失较快，后期逐渐变慢；当强化区域温度达到材料的熔点后，质量过渡主要以液相的形式发生17，若温度超过了材料的沸点，则质量过渡主要以气相形式发生

14、。Alexander.V对旋转电极式电火花 强化机的质量过渡规律进行深入研究，发现其过渡规律具有非线性特点，指出质量过渡过程中发生的“阳极粘连”是呈非线性的主要影响因素18。汪瑞军在TC1表面强化 WC-Co 时，也发现了粘连现象，电极粘连程度随时间增加而加重，他认为“阳极粘连”现象本质上揭示了质量过渡过程是一种交变的混合冶金过程，电极与基体间的火花放电存在不规律的交变放电特征19。李勇勇还研究了超声辅助振动对电火花强化过程的影响，结果表明超声振动对强化过程非常有利，减少了火花放电过程中电极与工件之间的短路和拉弧现象，获得的强化层较厚，表面强化质量较佳，同时还指出在强化过程时施加的接触力应尽可

15、能小，以避免强化层的消耗20。国内许多学者为了选择合适的电极材料和优选工艺参数也开展了大量的理论和试验研究工作，王建升采用电极振动式电火花表面强化机对多种不锈钢材料进行了试验研究，分析了强化时间、电压、电容等工艺参数对强化层厚度的影响。结果表明强化层的厚度随着强化时间的延长逐渐增大达到一个最大值后，出现减薄现象，随着工作电压和电容的增大，强化层厚度随之增加。另外工艺参数的改变也会对强化层表面的粗糙度造成影响21。目前，对电火花强化工艺的研究还多处在试验阶段，对加工机理研究的较少，强化工艺还存在着强化层的厚度和粗糙度两者不易协调、效率低等问题，因此研究不同电极材料的强化层形成规律、组织结构特点及

16、相关影响因素，总结加工规范，对强化过程进行深入研究是十分必要的。5 结束语从电火花表面强化技术的特点, 相比其他表面处理技术受到了广泛的认可和普遍应用, 其优势很明显。但是还有美中不足的地方, 电火花强化层的表面粗糙度很难控制, 强化工艺不稳定, 可靠性还有待于提高。随着科学技术的不断发展和人们逐渐对强化技术的认识, 必将得到更为广泛的应用, 为我国的现代化建设做出新贡献。参考文献1 徐滨士，朱绍华，等. 表面工程的理论与技术M. 北京：国防工业出版社，2010：52-158.2 孙希泰，等. 材料表面强化技术M. 北京：化学工业出版社，2005：1-3.3 陈钟燮.电火花表面强化工艺M. 北

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