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电火花表面沉积技术

时间:2015-9-29 15:49:00 来源:中国打火机网

  电火花表面沉积技术郭晓霞(深圳职业技术学院机电学院,广东深圳518055)表面,微量的电极材料在脉冲等离子弧的作用下熔化并在基体表面快速固化形成涂层,涂层与基体表面材料呈冶金结合。电火花沉积工艺不仅可以用来填充零件的破损区域,还可以用在表面涂层。对于修复,大部分可以在现场进行,而且只需很短的时间。电火花涂层适合用于高应力、高温、易磨损、易腐蚀等的恶劣的环境下。

  文中对该工艺的原理、优点、缺点以及研究的热点进行了详细介绍。

  表面强化的工艺很多,主要包括:HVOF和其他热喷涂;电化学,如电镀铬;各种真空工艺,如物理气相沉积工艺PVD;化学沉积工艺CVD.每一种工艺都有其优点、缺陷和相应的应用。上述大部分工艺,基体与涂层间是化学或机械结合。

  近几年来,一种灵活的、抗破坏性强的电火花沉积工艺不断受到了人们的关注。该工艺能真正实现涂层与基体的的冶金结合,同时还可以使基体的温度保持在室温,防止基体金属热变形,以及已经过热处理的金属基体发生冶金变化。该工艺不仅可以用于零件局部区域的修复,还可以用于表面涂层。

  1电火花沉积的原理和特点程,其中涉及到冶金学、摩擦学、材料性能等。

  他是一种利用电极在工件基体上进行脉冲堆焊的工艺,脉冲频率为0.1-4kHZ、脉冲宽度为几微秒的瞬(10-6-10-5s的极短时间)高电流使工件和电极之间产生电火花,如所示,电火花只产生在非常小的放电区域,从而产生大量的热能,温度高达8000-25000*C,使电极材料熔化以等离子冶金状态沉积到工件表面,并于工件表面的微小熔化区的金属形成合金,同时向工件表面扩散和渗透,从而与工件基体高强度紧密结合,如,3所示。

  深圳职业技术学院学报通过X射线衍射仪、晶相显微镜、SEM、显微硬度计等精密仪器对电火花强化区域进行分析,得知电极材料和基体材料在沉积时熔合形成合金层,由沉积层和扩散层组成,如所示。2030电火花沉积层微观断面电火花沉积的特点电火花沉积工艺不断受到人们的关注,就是因为该工艺有许多显而易见的优点:电火花沉积设备简单易携带。电火花沉积设备携带方便,使用灵活,电火花沉积是在空气或氩气中进行,不需要特殊、复杂的处理装置和设施,如真空系统或特制的容器等;既可以对零件或设备表面进行局部修复,也可对一般几何形状的平面或曲面进行涂敷,如刀具、模具和机械零件,对刃口和易磨损部位进行涂敷处理,从而提高硬度和耐磨性。

  火花放电对基体的热输入低,不会使工件退火或热变形。电火花沉积是脉冲电弧放电,是脉冲放电的示意图,放电时间(10-6-10-5s)比放电间隔时间(10-3-10-1s)短得多,在放电间隔期间,放电区域的温度以100*C/s的冷却速度降低,因此热量在基体中的传导和扩散范围极小,在基体中不产生热影响区,沉积不会改变基体金属的组织和特性。因此,对于整个工件来说,仍处于常温状态或温升较低,工件不会退火或热变形。

  金属表面只需进行简单的预处理。沉积修复或涂敷前,只需对金属表面进行打磨、清洗等简单的表面处理,就可以把金属或金属陶瓷沉积到基体金属表面,沉积完后,不需要再对工件进行热处理。

  沉积层与基体形成合金,结合强度高。

  脉冲放电图电极被瞬间高温电弧熔融,并以等离子冶金状态沉积到工件表面,电极材料和工件材料在瞬时高温高压条件下重新合金化形成新的合金层,沉积层与基体是冶金结合,而不是电极材料简单的涂敷和堆积。

  不会产生有害的的废物、烟或臭气。

  电极材料选择范围广。理论上讲,任何导电材料都可以制作成电极。

  可以沉积窄而长的区域和内孔表面。

  电火花沉积处理后的工件可作最终工序使用。电火花沉积处理后,即使要求加工,加工余量也很小,只需采用油石、锉刀等手工工具进行钳工修理即可。

  上述优点使得ESD既可以用在现场修复,又可以用在维修站维修。然而,该工艺也有一定的缺点从而限制其使用范围。如:该工艺通常是人工操作,很难控制涂层的质量。如果利用机器人,可以实现涂敷自动化,但该工艺将更昂贵和麻烦,不具备可携带性的优点。

  沉积层以及沉积层和基体结合面的质量是不确定的,尤其是孔隙率和致密性(连续性);由于沉积层与基体的热膨胀系数不同,表面可能有拉应力,沉积层可能产生潜裂纹,所以该工艺不适合应用于对应力敏感的零件的修复。

  不能用于大面积的修复,这样不仅沉积速度慢且成本太高;厚度。对于合金,沉积层一般没有厚度限制。然而,碳化物(如WC-Co,WC-TaC-Co)沉积层的厚度仅可达到0.03mm.这是由于残余应力导致的,如果沉积时涂层的厚度超过上述限制,则容易脱落。如果要沉积超过上述限制的厚度,可以用合金沉积,最后再用碳化物,如对厚的铬合金进行修复时,可先用镍基合金再用铬合金。然而,由于粗糙度的原因,在第一层沉积后,表面粗糙,必须先打磨后,再沉积。

  表面粗糙。沉积层粗糙度值大,如果零件表面要求的粗糙度值低,必须进行打磨。

  3电火花沉积材料几乎任何导电材料都可以固化制作成电极,其中包括合金和陶瓷如WC-Co和Cr3C2-NiCr.另外由于该方法材料利用率本质上是100%,且只需要小的电极,所以还可以沉积昂贵的材料如金、银和铂等。

  电火花沉积既可以用于对表面进行涂层,也可以对局部区域进行堆焊修复。根据沉积表面的要求可选用不同的电极材料。下面是一些常用的沉积材料。

  可提高沉积表面抗磨损特性的电极材料:碳化钨(或钦、络、错、钥、机、组等)硬质合金;碳化钨基、镍基硬质耐磨合金(如钨钴合金、钨钛钴合金、钨钽钴合金等);硼化物(如硼化钛、硼化锆等);金属陶瓷;可提高沉积表面抗腐蚀特性的电极材料:不锈钢;特种合金(如优质镍基耐蚀合金;铁铝合金、镍铝合金、钛铝合金;难熔金属和合金(钨、钼、铼、钽等);4环境和安全问题一般来说,该方法环保、使用安全。电火花沉积设备一般采用使用脉冲电源,操作时不会产生大的震动和噪音。但在使用时,为完全起见,在一些特殊情况下还是需要注意:带安全护目镜。沉积时,金属熔滴以火花形式喷溅。虽然光的密度不是很高,但如果长期操作,带安全护目镜有利于保护眼睛。

  沉积时气化的金属对人的身体健康是不利的。当电极中含有较多易气化的材料(如铝、铬和锌)时,沉积时气化的金属对人的身体健康是不利的。尽管挥发气体的量与弧焊或热喷涂的其它高能量的工艺相比少得多,但是这些气体依然需要通过一定的管道输送并浓缩。

  5应用电火花沉积方面的权威,是最先进的电火花沉积系统的制造者。ASAP公司生产的设备的焊枪有2种形式,其中一种主要用于涂敷,采用了已申请专利的“振动-旋转”的运动模式,大大减少了电极的滑动,使电火花沉积可以更容易地应用到锋利的边和复杂零件,而且这种焊枪既可以手持,又可以安装在自动化的机器上;另一种是电极只可以旋转的焊枪,主要用于对零件的局部进行堆积修复,如小的刻痕和缺口的修复、小裂纹和腐蚀凹坑的修复等。ASAP不仅电火花沉积设备的制造,而且还成功地把ESD应用于航空、军事、医疗、汽车和食品加工等行业,并在ESD技术的商业化应用中如处于领先地位。

  涂层。电火花沉积可以在多种工程零件表面涂敷以产生涂层。几乎任何导电的有一定熔点的金属陶瓷或金属电极,都可以涂敷到基体表面,并与电极有相同的材料特性。涂层可以对表面改性,如提高耐磨性、提高抗腐蚀能力、达到指定要求的摩擦系数等。ASAP公司已经发展且申请了应用于刀片和刀具刃口的电火花碳化涂层专利。带涂层的刃口具有自锋利特性,可以大大提高刀具刃口寿命。

  涂层已应用于工业、消费品行业、军刀,与原来相比,寿命提高了8倍。

  电火花涂层的一个新的应用是用于医疗和外科的手术器械。对于一些防滑的重要的器械,涂层可以增加表面的摩擦系数,而一些耐磨涂层可以提高器械的寿命,保持器械工作边的锋利。如镊子、止血钳,主要要求其有一定的夹紧力,用ESD可以增加表面的摩擦系数,从而减少滑动和与滑动相关的磨损。另外如股锯,其寿命和锋利性是重要的,研究表面处理过的股锯与未处理过的相比,其锋利程度要提高2-3倍。

  碳化钨、钽或硬质合金涂敷到经过精加工、热处理的工具钢表面可以提高耐磨性。对于压铸模、铸造模,在使用过程中与高温高速的熔融铝摩擦,模具型腔表面会被侵蚀,而在对型腔表面填加涂层后,其寿命可以增加到2-3个月。

  修复。ESD还可以用来修复裂纹、凹坑的修复和恢复零件尺寸,如所示。电火花沉积工艺可以用在维修车间或设备使用现场,进行修复时,零件可以不用拆卸下来,这对于车辆、轮船和潜艇这些大的设备来说,现场修复可以大大节约成本。另外电火花沉积修复对于那些生产周期长或不再生产的零件的局部修复也是非常有效的。

  \凹坑沉积修复,深圳零件的修复6研究热点和发展趋势备大多由人用手持电极头,进行沉积,特别适合于模具或轴类零件的修复。然而对零件进行大面积涂敷时,手动操作则沉积效率太低,这时就非常有必要采用自动或半自动的沉积设备,不仅可以提高生产率,而且还可以保证涂层的致密性。另外,对于沉积时需要100%的氩气环境或沉积时会产生对环境有害的气体(如电镀铬修复),操作过程需要在封闭的空间中进行,为保证操作的安全性以及涂层的质量,采用自动的沉积设备是比较好的选择。因此,自动化沉积设备的研究与使用也是当前研究的热点。ASAP把ESD设备安装在MOTOMANSV3X具有六个自由度的机器人系统的机械手上,进行自动的铬修复;PacificNorthwestNationalLaboraroty(PNNL)。研究的内容主要包括超声的密度、超声头的直径和端面形状对沉积质量的影响。

  该技术还处于,这恰恰是最难的。而对于非可视区域沉积,最难控制和最重要的工艺参数之一是电极与基体的接触压力。因此人们在研究内孔沉积的同时,也对现有的设备的改进进行改造,主要集中在:控制工艺参数的感应器,如电极作用在基体材料上的力;发展在不同的条件下,可以维持优化的电极波形的控制器和传感器。

  不可视区域的涂层5)铬镀、热喷涂涂层的局部修复,电火花涂层替代铬电镀的研究。目前,对硬铬涂层修复时,通常是电刷镀镍,然后再在表面电刷镀一层薄的铬。由于电刷镀液有毒,该方法正面临不断增加的环境的压力。美国环境安全认证组织ESTCP(EnvionmentSecurityTechnologyCertificationprogram)是专门资助环境成效性好的创新技术的研究和发展,该组织已联合ASAP公司、Portland综上所述,电火花沉积技术将向自动化和性能更优化的方向发展。随着人们对新设备、新工艺的不断研究和开发,电火花沉积技术的应用领域将更加广泛。

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