Cr12MoV鋼電火花沉積工藝研究

郭曉霞

（深圳職業技術學院 機電工程學院，廣東 深圳 518055）

表面強化是提高零件表面性能的重要方法之一，如，碳素工具鋼或低合金工具鋼經表面強化后，可達到或超過高合金材料的性能指標．表面強化的方法有多種，在生產中常用的有熱噴涂和電鍍．熱噴涂時，材料與基體的結合以機械結合為主．電鍍應用中典型的有電鍍鉻，盡管該工藝非常經濟，但由于環境污染的問題，其應用受到限制．最近幾年，一種新的靈活的、抗破壞性強的電火花沉積工藝不斷受到人們的重視．電火花沉積工藝能真正實現涂層與基體的冶金結合，同時還可以使基體的溫度保持在室溫，這既可以防止基體金屬熱變形，也防止已經過熱處理的金屬基體發生冶金變化．電火花沉積可以在多種工程零件表面涂敷以產生涂層，幾乎任何導電的有一定熔點的金屬陶瓷或金屬電極，都可以涂敷到基體表面，并與電極有相同的材料特性，另外，電火花沉積還可以用于零件的修復，尤其是對于修復那些生產周期長或不再生產的零件是非常有效的．目前，電火花沉積技術已經成功地應用于零件的修復，國內外學者對該技術的機理、設備、工藝參數、沉積材料等做了大量的研究[1-9]．

本文以Cr12MoV為基體材料，研究電火花沉積層的工藝，以及影響沉積層質量的因素．

1 電火花沉積原理

電火花沉積是一種微弧焊接工藝，可以沉積合金或金屬陶瓷到任何導電的材料上．

電火花沉積設備示意圖如圖1所示．在電火花沉積時，電源向電容器充電，電極高速旋轉，電極向工件運動且接近工件，其間空氣電離，形成放電通道，在放電微小區域內形成8000~25000℃的高溫，使電極材料熔化并以等離子狀態沉積到工件表面，同時放電區域的材料也熔化，且向四周濺射，此時，電極繼續向下運動，使電極和工件上熔化了的材料擠壓在一起，由于空氣介質和金屬工件基體的冷卻作用，熔融的材料被迅速冷卻而凝固，成為工件表面上的沉積點．當電極離開工件，放電過程結束，電源重新對電容器放電，這就是電火花沉積設備的一次充放電的過程．重復這個充放電過程并移動電極的位置，沉積點就相互重疊和融合，在工件表面形成一層沉積層[2]．

圖1 電火花沉積設備示意圖

2 試驗材料及設備

實驗材料為Cr12MoV，又稱SKD11，是廣泛使用的模具鋼材料，且是冷、熱作蒹用模具鋼．Cr12MoV有高的淬透性，熱處理后有高的硬度、耐磨性和抗壓特性，常用來制造大截面、重負荷、形狀復雜的沖裁模．這類模具的失效形式主要有刃口部位的磨損和崩裂．

電極為圓柱形，直徑為2.4 mm，其成分見表1．

表1 電極的成分（質量分數，%）

試驗設備為放電式修復機Microdepo150．ESD設備包括2部分：電容器放電的脈沖電源和裝有可接地電纜的焊槍．沉積時，電極安裝在焊槍上，如圖2所示．

圖2 電火花沉積

3 測試缺陷準備及修復

電火花沉積工藝可以用于對模具表面的缺陷進行修復．模具在使用過程中常出現的缺陷包括磨損（或劃痕）缺陷和腐蝕點．為了證明工藝的修復能力，必須定義一定的用于測試的缺陷．根據常見缺陷的形狀，定義了下述2種形式的缺陷．

圖3 測試件

試件的規格（長寬高）：35 mm×30 mm×12mm．類型1缺陷是點缺陷，是用f12球頭刀加工出來的，見圖3的部位1，缺陷1設計的目的主要測試零件腐蝕點的修復．類型2缺陷是長條型的槽，用f12mm球頭刀加工，槽長15mm，深0.15mm，見圖3的部位2，缺陷2設計的目的主要測試一些劃痕類的磨損缺陷．

由于模具在使用過程中表面有油污或或氧化物，所以在對模具修復前必須對試樣表面進行預處理．先用細銼輕輕銼去試樣表面的氧化皮，再用砂紙砂磨試樣表面，使試樣沉積表面露出干凈的金屬，最后用丙酮清洗試樣和電極表面的油脂．然后把被沉積的工件裝夾在虎口鉗上，手持裝有電極的焊槍在工件表面進行沉積修復．在修復時，涂層的修復厚度大約比缺陷深度大0.1mm，修復完后再打磨平．圖3中的部位3是沉積后未打磨的表面狀態，4和5部位分別為2種缺陷修復并打磨后的表面狀態．

4 影響沉積層質量的因素

電火花沉積時熔融的電極材料以冶金方式與基體材料結合．電火花沉積表面的形貌是由無數密集的沉積點和放電凹坑所構成，宏觀呈銀灰色的桔皮狀，如圖4a所示．沉積層的質量直接影響著涂層或修復部位的性能．

4.1 保護氣（氬氣）

在無氬氣保護的狀態下沉積時，沉積表面發黑，沉積時電極發紅，沉積后電極表面有一層藍色的氧化膜，且沉積層表面粗糙，如圖4b所示，顯示無氬氣保護的狀態下沉積層中有明顯的層間疏松、未熔合的缺陷和孔洞．

在氬氣的保護下沉積時，在沉積過程中，沉積表面的氧化現象受到抑制，且熔融的電極材料以等離子狀態噴射到工件表面，這樣沉積層的表面粗糙度值大大減小．在沉積過程中，氬氣一方面對電極起冷卻作用，同時隔離空氣阻止金屬發生氧化．圖5是在氬氣保護下涂層區域橫截面的照片，修復區域的致密性明顯提高．由此可見，合理調整氬氣的流量可以降低沉積層的氧化，減少沉積層的裂紋和孔洞．

4.2 電容

由圖6可以看出，電容的大小與工件與電極之間放電能量的大小有直接關系．隨著電容的增大，單位時間內沉積放電的能量增加，那么一次轉移的電極材料體積增大，沉積的凸起部位更高，從而造成表面粗糙值變大．同時，隨著放電能量的增大，放電時可以明顯地看到火花，有更多的火星向外噴射．由圖6b可看出，隨著電容的增大，沉積層中出現未熔合的孔洞，致密性大大降低．

圖4 沉積層的表面形態

圖5 沉積時氬氣保護的沉積層

圖6 不同電容時沉積層的金相照片

4.3 電壓

由圖7可以看出，隨著電壓的增大，沉積表面變得粗糙，放電時可以明顯地看到火花，有更多的火星向外噴射．當電壓達到150V時，電極呈胭紅色，且在冷卻后，電極表面有一層氧化膜．電壓為50V時，沉積層比較致密，沒有明顯的孔洞；當電壓升為150V時，沉積中有明顯的孔洞和未融合層．

通過上述試驗比較得出，在工件和電極相同的條件下，減小電容、電壓，同時在沉積時增加保護氣，可以得到質量較高的沉積層，但沉積效率會降低．通常，在沉積修復時，要綜合考慮沉積效率和沉積層的致密性．通過大量試驗，下述沉積方法可以提高沉積層的致密性和連續性，提高沉積層的性能．

1）打底．選用高頻率低電壓（800 Hz，50V），氬氣的流量約為 3L/min．在每沉積一層后，輕敲，并用細砂紙打磨，以去除表面氧化薄層和微觀環境下的裂紋和氣孔，然后用滴耳球吹去粉末．這樣重復 5~10層．且要確保每次堆積的痕跡與上次痕跡充分交融，不要出現較高的凸點和凹坑．

2）修復．選用中等頻率、電壓（400 Hz，100V），能量大小調整以電極不發紅為準．每沉積一層（約5～10道）后，輕敲，并用、細砂紙打磨，再用滴耳球吹去打磨產生的碎屑．沉積到低于基準面10～20道即可．

3）蓋面．選用高頻率低電壓（800 Hz， 50V）．蓋面層沉積到超出實際使用高度 5~10道，然后用砂紙打磨平．

圖7 不同電壓時沉積層的金相照片

[1] 郭曉霞．電火花表面沉積技術[J]．深圳職業技術學院學報，2008，7（1）：17-21．

[2] 王建升．電火花沉積及合金化[D]．昆明理工大學，2004．

[3] Wang R. Interface behavior study of WC92-CO8 coating produced by electrospark deposition[J].Applied Surface Science, 2005，240：42-47．

[4] BY S K TANG. Materials Transfer in Electro-SparkDeposition of TiCp/Ni metal-Matrix Composite Coating on Cu Substrate[J].Welding Journal, 2010，89：172-180．

[5] BY J. Gould. Application of Electro-Spark Deposition as a Joining Technology[J].Welding Journal, 2011，90：191-197．

[6] TU?EK J. Electrospark deposition for die repair[J].Metalurgija, 2012，51（1）：17-20．

[7] Norbert Radek. The influence of laser treatment on the microstructure and properties of the tungsten carbide electro-sparke coatings[J].Advances in Manufacturing Science and Technology, 2011，35（2）：59-69．

[8] 胡隆．718鋼電火花沉積Ni-Cr合金涂層的組織特征及性能[J]．表面技術，2011，40（3）：5-7．

[9] 張平．便攜式電火花沉積鎳基合金工藝[J]．焊接學報，2011，32（4）：33-36．