电火花表面强化技术及其应用

金属表面处理的电火花加工技术1. 前言电火花加工技术（Electrical Discharge Machining, EDM）是一种利用连续或断续的电火花放电来去除金属的非接触式加工方法。

该技术在金属表面处理领域具有广泛的应用，特别是在硬质合金、高速钢、淬硬钢等难加工材料的加工上表现出了显著的优势。

本文将从电火花加工的原理、工艺特点、应用领域等方面进行详细探讨。

2. 电火花加工原理电火花加工技术的基本原理是利用高压电源在工件和工具之间产生连续或断续的电火花放电，放电时产生的高温熔化金属和气体，在气压作用下迅速从放电通道中排出，从而达到去除金属的目的。

放电过程中，工件表面和工具表面都会形成一层熔融层，随着后续的冷却和固化，这层熔融层会形成一种特殊的微观结构，对工件的性能产生重要影响。

3. 电火花加工的工艺特点电火花加工具有以下几个显著的工艺特点：（1）非接触式加工：由于加工过程中不直接接触，因此适用于硬质合金、高速钢、淬硬钢等难加工材料的加工。

（2）加工精度高：电火花加工可以达到非常高的加工精度，加工表面质量好，适用于复杂形状的加工。

（3）加工效率：电火花加工的加工效率相对较低，但随着技术的不断发展和设备的更新，加工效率有所提高。

（4）加工变形小：由于是非接触式加工，加工过程中工件的变形较小。

（5）适用范围广：电火花加工适用于各种金属和非金属材料的加工，特别是在难加工材料的加工上具有显著优势。

4. 电火花加工的应用领域电火花加工技术在金属表面处理领域有广泛的应用，主要应用领域包括：（1）模具制造：电火花加工技术在模具制造领域有广泛应用，如冲压模、压铸模、塑料模等。

（2）航空航天：电火花加工技术在航空航天领域中，用于加工难加工材料，如钛合金、镍基高温合金等。

（3）汽车制造：电火花加工技术在汽车制造领域中，用于加工发动机部件、变速箱齿轮等。

（4）微细加工：电火花加工技术在微细加工领域有重要应用，如微细模具制造、微细零件加工等。

电火花表面强化工艺及设备分析摘要：电火花表面强化有助于提高机械零部件的表面质量，已被广泛应用于交通运输、电机电器等行业。

本文从电火花表面强化工艺的原理说起，简述该工艺的特点，并分析当今社会电火花表面强化设备的发展现状，最后总结该工艺以及设备的未来发展趋势。

关键词：电火花表面强化原理特点设备工艺表面工程是改善机械零部件表面质量的重要技术工艺，而机电设备许多零部件都非常容易磨损和腐蚀，如果提高表面质量，就会减轻磨损和腐蚀。

所以说，表面工程是改善机械零部件质量的关键。

电火花表面强化工艺是机械零部件表面工程的重要技术之一，具有设备简单、操作方便、成本低等优点，具有广阔的应用空间。

一、电火花表面强化工艺原理及特点1.原理将硬质合金作为电极材料，利用电容器在阴阳极之间产生能量，从而逐渐熔融阳极，将其涂抹至阴极，这样就形成了特殊性质的合金强化层。

该强化层具有高硬度、高耐磨和高抗腐蚀等优点，这样就能有效提高机械零部件的表面质量。

而一个完整的电火花表面强化设备主要由脉冲电源振动电源和振动器组成。

2.特点相比于其他表面强化工艺而言，电火花表面强化工艺具有以下五个特点：一、设备简单，操作方便。

其组成设备体积小，操作起来非常方便，操作人员可以根据实际情况灵活使用。

二、负面影响小。

火花放电的热作用只会对微小的局部区域产生一定的不良影响，不会对零部件产生较大损伤。

三、能对平面或是曲面零部件进行局部表面强化。

四、可以根据实际需要调节工艺参数，进而获得不同的强化强度。

五、由于强化层是电极材料和工件材料形成的合金材料，因而强度较高，使得零部件的耐磨性、抗腐蚀性等性能较好。

二、电火花表面强化设备发展现状电火花表面强化理论最早由苏联学者提出，并由中央电气科学研究院在1950年研发出уир系列电火花表面强化机，该强化机的应用效果不好。

1964年，研发出эφи系列电火花表面强化机，该强化机在工业领域得到广泛运用，强化效果好。

20世纪50年代后期，欧美等国着重研究电火花表面强化工艺，并研制成功众多效果良好的强化机，如：英国的SPARCARD、美国的TVNGCARB220，这两种强化机适用于刀具和模具的表面强化，功率较小。

三、电火花强化P68定义：通过电火花的放电作用把一种导电材料涂敷熔渗到另一种导电材料的表面，从而改变后者表面的性能。

(如把硬质合金材料涂到用碳素钢制成的各类刀具、量具及零件表面，可大幅提高其表面硬度(硬度可达70～74HRC)、增加耐磨性、耐腐蚀性，提高使用寿命1～2倍。

)适用范围：上述各类零件的表面强化和磨损部位的修补。

原理：在电极与工件之间接直流或交流电，振动器使电极与工件之间的放电间隙频繁发生变化并不断产生火花放电，经多次放电并相应移动电极的位置，就使电极材料熔结覆盖在工件表面上，从而形成强化层。

金属零件表面之所以能够强化，是由于在脉冲放电作用下，金属表面发生超高速淬火、渗氮、渗碳及电极材料的转移四个方面的物理化学变化。

(1)超高速淬火电火花放电使工件表面极小面积的金属熔化。

由于放电时间很短暂，而被加热的金属周围是大量的冷金属，所以被加热金属急速冷却下来，形成了超高速淬火。

(2)渗氮电火花放电区域内，空气中的氮分子被电离，它和熔化的金属中的有关元素化合成高硬度的金属氮化物，如氮化铁、氮化铬等。

(3)渗碳来自石墨电极或周围介质中的碳元素因融于熔化的金属中而形成碳化物，如碳化铁、碳化铬等。

(4)电极材料的转移在压力和电火花放电的条件下，电极材料接触转移到工件金属熔化表面，有关金属合金元素(W、Ti、Cr等)迅速扩散到金属表面，形成强化层。

电火花表面强化层的金相组织变化、强化层厚度、硬度及耐磨性、耐腐蚀性等均与电极材料、工件材料及强化条件有关。

电火花表面强化的特点：1)强化在空气介质中进行，不需要特殊复杂的处理装置和设施。

2)可用于机械零件，工模夹具、量具、刃具的局部表面处理，强化前不需经过特殊预处理。

3)强化时，可根据工件表面的不同要求选择适当的电极材料，以提高表面硬度，增加耐磨性、耐腐蚀性。

4)强化层厚度可以通过电气参数和强化时间进行控制。

5)强化过程变形非常小，因此可安排为末道工序。

6)由于有一定的强化层厚度，所以电火花表面强化既可用于提高零件的硬度及耐磨性又可用于磨损件的修复。

模具型腔中表面强化技术的应用分析摘要：随着科学技术的飞速发展和人们生活水平的不断提高，当前人们逐渐对模具制造行业的发展重视起来。

众所周知，模具型腔制作是我们在进行模具制作过程中的重点施工环节，而模具型腔表面强化就是其中的重中之重。

机械相关零件粗加工和机械相关零件细加工中的主要程序都是由模具成型来完成的。

对模具型腔表面强化技术进行科学合理研究，可以在一定程度上提高模具使用寿命。

关键词：模具型腔；表面强化技术；应用分析和探讨广义来讲，当前最为常用的模具使用类型包括塑性变形失效模具、磨损失效模具、疲劳失效模具和冷热疲劳失效模具以及断裂失效模具五种。

为了有效防止模具失效，我们应该对模具型腔表面进行强化，其中强化分为主要包括硬度强化、耐磨强化和耐腐蚀强化以及抗疲劳抗高温氧化强化措施等。

所以应在对模具材料进行正确全面选取之外还应该对模具型腔表面实施适当强化操作以保证模具制作效率。

本文从有关模具型腔表面强化方法和强化特点以及强化目的等方面进行分层阐述，并对模具型腔表面强化机理等作出解释。

1.模具型腔中表面工况概述根据对当前各种模具工况的研究与分析可以看出，其工作条件存在这很大不同，并且此时失效形式也是各不相同。

需要注意的是，在同一副模具上其损伤形式多种多样，此种损伤形式大多数情况是以交叉损伤形式产生的，并且其之间关系是相互联系且相互影响的，此时加速磨具会过早失效。

热作模具制作是当前我国模具生产中的重点生产环节，因为热作模具会受到负荷影响并会使其中的金属材料产生塑性变形状况，另外一种可能的情况就是会使温度较高的液体金属压铸得以成形且相对炽热非金属注射也会成型。

金属材料发生一定塑性变形时会对整体模具生产造成影响，一般来讲，固体金属材料塑性变形模具主要包括热锻模和热镦模以及相关热挤压模等。

模腔被破坏变形的主要原因是有模具生产中的实际生产环境所造成的，其同时也是相应成型部分可逆变形和成型部分磨损以及成型部分产生裂纹等。

电火花表面强化技术是直接利用电能的高能量密度对金属表面进行强化的工艺，它是通过电火花放电的作用，把作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表层，从而形成合金化的表面强化层，使工件表面的物理，化学性能和力学性能得到改善。

例如：采用WC、TiC等硬质合金电极材料强化高速钢和合金工具钢材料的工件，强化表面能形成显微硬度1500HM以上的耐磨，耐蚀和其有红硬性的强化层，使工件的使用寿命明显提高，在700-800摄氏度的高温下强化层仍具有很高的硬度，耐磨度。

电火花强化工艺在刀具，模具和机械零件上的运用取得了明显的效果，还大量地应用于缺损，砸伤的模具，量具，精铸件和机械零件的精密修复上面。

电火花强化层与基体的结合非常牢固，不会发生剥落。

因为强化层是电极和工件材料在放电时的瞬时高温高压条件下重新合金化而形成的新合金层，而不是电极材料简单的涂覆和堆积，而且合金层与基体金属之间具有氮元素等的扩散层，如用石墨电极则有表面渗碳的效果。

电极材料可根据用途自由选择，如以提高耐磨性为目的，可以选用YG/YT或YW类硬质合金，用YG8硬质合金强化Gr12、3Cr2W8V等合金钢，能形成高硬度，高耐磨，抗腐蚀的强化层，可使模具或机件的使用寿命提高1~3倍。

模具电火花强化工艺应用表明，电火花强化工艺应用在模具的强化和磨损件的精密修补方面能够取得很明显的技术经济效果。

模具（机件）在磨损之后，利用电火花强化能使工件表面增厚的作用，可以进行精密修补，模具强化工艺主要包括：强化前的准备、强化方法、强化后处理和强化工件的使用等四个方面。

1、强化操作前的准备①了解工件的工作性质和经强化后希望达到的技术要求，以便确定是否可以采用电火花强化工艺。

就材料来说，一般碳钢，合金工具钢、铸铁等黑色金属通常都可以强化，而有色金属，如铜、铝是可以修补的，但很难进行表面强化，对于模具来讲，本身要经过淬硬处理使其具有合格的硬度，电火花强化不可能代替热处理，电火花强化层虽然化较薄，只有0.05-0.1mm，但在很多情况下，10-20微米，甚至几微米就能起良好的作用。

电火花喷涂技术应用与工艺方法研究摘要在一些重要零件或有特殊要求的零件加工中，需要该类零件的金属表面晶格结构具有一定的特性，而这些特性是零件的基本部分不具有或不能达到的性能。

由于某些零件的形状、重量、基本性能，加工成本等要求，决定了零件基本部分不能全部采用类似表面性质的材料制造，针对这种情况，采用电火花表面喷涂技术是解决这种问题的首选工艺方法。

电火花喷涂技术是一种硬度较低的导电材料附着于另外一种硬度较高的导电材料表面，从而改变或提高硬度较高的导电材料的耐磨性或其他机械性能和物理性能的一种工艺方法。

关键词电火花喷涂；表面强化；喷涂层；合金化处理0 引言电火花表面喷涂是由于电火花加工技术发展的一种电加工方法，其加工原理与电火花加工原理相仿。

是以表面涂覆为电极材料，直接利用电容器在电极与工件之间火花放电产生的能量，使电极熔融，甚至汽化，涂覆熔渗至工件表面，形成特殊性质的合金表面涂层。

涂覆层具有高硬度，高耐磨性，抗腐蚀性及红硬性等优良特性。

目前国外许多国家对电火花喷涂技术有较深的研究，比如美国在B-1，B-2轰炸机起降装置的很多零部件的制造中使用了这一技术，很大程度的提高了起落装置的使用寿命，在苏-27飞机制造上电火花喷涂技术也得到了广泛的应用。

1 电火花喷涂改变金属微观组织原理分析电火花喷涂加工过程中，在作为阳极的涂覆材料与作为阴极的工件接触瞬间，装置中电容器瞬间放电，两者之间放电电路中的瞬时电流和电流密度达到很高数值，是电极与工件之间产生电弧，由于这些连续且时间间隔相同的瞬间脉冲电流形成的电弧而产生的热量，就造成了电极材料和零件表层组织以极快的速度达到熔化，沸腾和蒸发，在此条件下组成电机的涂覆材料中的表面元素就会向零件转移，使零件的表面层合金化，同时零件表层在其加热溶化的瞬间，空气中的氮气和工作环境中存在的碳或碳化物，同时在电弧的作用下向零件基体发生渗碳和氮，伴随着渗碳和渗氮作用产生以及电弧作用是在一定频率下循环发生的，电极和零件的接触部分在极短的时间内加热至高温，然后当电弧间断时已加热融化的金属瞬时被冷金属及周围环境冷却，形成高频率淬火过程。

电火花表面处理技术及其在模具中的应用（天津职业技术师范大学，天津300222）简述了模具在产品制造业中的重要性及存在问题，介绍了电火花表面技术的强化层特性及其优点，重点突出电火花表面处理技术在模具强化和损伤修复中的应用和重要意义，并展望了电火花表面处理技术在模具业的发展前景。

标签：电火花;表面处理;模具;强化;损伤修复模具工业是国家经济发展的基础产业，是先进制造业的重要组成部分，同时也是一个国家制造业水平的重要体现。

但是模具在设计、生产和使用时难免出现各种问题，如模具开发设计过程中的尺寸误差过大;模具制造时人为因素产生的划擦;运行中源于外界的复杂的载荷使模具表面产生的变形和断裂，甚至表面失效破坏。

这不仅使模具表面精度极度下降，还会对后期产品质量带来严重影响。

对于上述棘手问题，若通过厂家前来维修、模具返厂、更换新模具来解决，既浪费时间，造成重大损失，又可能会增大生产成本。

所以如何提高模具的质量、可靠性和模具使用寿命是模具研制和探索中的核心技术。

为改善和解决上述问题，对模具实施一定的表面处理技术是一种行之有效的重要途径。

而电火花表面处理技术[1～2]，既能改善模具表面质量，提高硬度和表面耐性等性能[3]，又能修复模具表面磨损破坏部位，实现模具的“废物再利用”，延长模具的生命全周期，使模具能够再次投入生产，减小损失，大大提高经济效益和社会效益。

1 电火花表面技术电火花表面技术，是利用脉冲电流瞬间放电产生的高能量密度电能，使电极材料和工件表面材料在高温高压下局部熔化，在工件表面相互熔渗扩散，发生物理化学反应而形成的具有优良性能的合金化层。

强化过程大致分为：高温高压下熔融材料发生物理化学冶金反应;熔融区基体材料和电极材料以及液体与固体界面的相互扩散;温度急剧升温和快速冷却使熔区发生奥氏体和马氏体转变，细化晶粒，产生残余应力，从而提高疲劳强度。

对于强化层，它的特性与其他表面处理工艺有所区别。

电火花强化层的表面形貌是由很多密集的增强相点和放电凹坑组成，这种结构有利于提高表面耐磨性。

第一章电火花表面强化技术电火花表面强化理论最早由前苏联学者拉扎连科于1943年提出。

随后在1950年，苏联中央电气科学研究院成功研制出了уир系列电火花表面强化机，使该技术得以在工业上得到应用。

到了19世纪60年代中期，电火花技术在我国开始推广应用。

如今电火花强化技术已经广泛应用于航空航天、能源、军事、电力、医疗等众多领域。

1.1电火花表面强化原理电火花表面强化技术，也称为电火花沉积，电火花合金化等，它是一种表面处理技术，其原理是通过电火花放电将电极材料熔渗到工件表层，并与表层金属发生合金化作用，以得到结合牢固的强化层。

如图1-1为电火花强化表面原理示意图。

在工具电极和工件之间接上直流或交流电源，在振动器的作用下，电极与工件之间的距离周期性地发生变化，当两者之间距离很小时，空气被击穿并产生电火花，使电极和工件表面局部区域熔化，形成强化层。

1-1电火花表面强化原理示意图图1-2为电火花强化过程示意图。

如图可知电火花强化过程可分为三个阶段，即工具电极远离工件，工具电极与工件之间的距离达到火花放电的临界值，以及工具电极与工件接触短路。

当工具电极与工件之间距离较大时[如图1-2(a)]，电源将经过电阻R对电容C进行充电，此时无电火花产生。

在振动器的作用下，工具电极逐渐向工件表面靠近，当二者之间间隙达到一个临界值时[如图1-2（b）]，将发生火花放电。

此时产生的热量使工具电极和工件局部区域开始熔化甚至气化，并伴随发生一系列复杂的化学反应。

当工具电极继续向工件靠近并接触时[如图1-2(c)]，火花放电停止，从工具电极与工件接触点流过的短路电流，使该处持续加热。

由于振动器的下压，此时接触点还受到来自工具电极的压力，这有利于熔化了的材料之间相互粘结图1-2 电火花强化过程示意图，扩散，进而形成合金以及新的化合物。

当振动器向上运动时，将带动工具电极离开工件表面[如图1-2(d)]。

由于火花放电热影响区很小，故当工具电极离开工件后，工件的放电部位快速冷却。