电火花表面强化
电火花表面强化工艺及设备分析
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。
2.3电火花强化
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
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...
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。
电火花表面强化技术.
与其它常见的表面处理技术相比，如电镀，热喷涂，常规表面化学
热处理等。电火花强化技术的优点可以归纳为以下几点：
1.设备简单，操作容易，不需要专业操作人员。 2.热输入较小，被强化的工件基体不会产生整体退火或热变形。 3.强化层与基体冶金结合，结合强度较高，不会发生剥落现象。 4.工艺参数可控，电极材料选择范围广。 5.应用范围广，对于一般几何形状的平面或曲面均可进行强化。
3、脉冲频率：脉冲频率主要影响强化层的表面致密度，当脉冲频率提高 时，单位时间内放电次数增多，每次过渡的电极熔融颗粒变小，所获的 强化层致密度将提高，光洁度增加，同时也可在一定程度上提高硬度。 但是对于给定的电规准，脉冲频率不可过大，否则可能造成电容器充电 不足或放电不完全，从而降低强化层厚度。 4、强化时间：强化时间对强化层影响较为复杂。在某一最佳强化时间之 前，强化层厚度随强化时间增加而增大，且强化层组织较均匀、致密， 这是因为在强化初期，电极材料向基体过渡量较小，强化层较薄，尚未 完全覆盖工件表层，故表面存在的缺陷也很少，表面质量较好。当强化 时间超过这最佳强化时间的后强化层厚度增幅放缓，且表面粗糙度显著 提高，这是因为随着电极熔滴不断向工件沉积，强化层表面的强化点和 电蚀凹坑会不断叠加，加上强化过程一般由人手工操作，也会使熔滴涂 覆不均匀性增加，故表面粗糙度升高。但是进一步增加强化时间，粗糙 反而又会下降，其原因是强化层表面凸起的较大颗粒与电极间的间距相
强化的物理化学过程
1、超高速淬火 类似于焊接，电火花强化也是一个快速加热，快速冷却的过程。电 火花放电过程十分短暂，但是在瞬间可以释放出大量的热能，使得工件 表面很小的面积熔化以及部分气化。火花放电结束后，被加热的金属部 分在周围冷的金属以及冷的气体介质中，会快速冷却，发生高速淬火。 2、渗氮、渗碳 在电火花放电通道区域内，温度很高，空气中的氮分子呈原子状态， 与受高温熔化的金属有关元素化合成高硬度的金属氮化物，如氮化铁、 氮化铬等。如若在强化过程中采用气体保护（如氩气），则生成的氮化 物将大幅减少。另外来自石墨电极或周围介质的碳元素也会形成金属碳 化物，如碳化铁、碳化铬等。
电火花表面强化工艺及设备分析
Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ Ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ Ｔ ｒ ａ ｄ ｅ
中 国化 工 贸 易
至 一
电火 花表 面 强化 工 艺及 设 备分 析
唐天鹏
（ 天辰 化工有 限公司 。疆维石 河子 ８ ３ ２ ０ ０ ０ ）
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
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 Ｓ Ｐ Ａ Ｒ Ｃ Ａ Ｒ Ｄ、美 国的 Ｔ Ｖ Ｎ Ｇ Ｃ Ａ Ｒ Ｂ ２ ２ ０ ，这两 种
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 。
转子材料电火花表面强化技术研究
（ ｏｅｅｏ ｎｒｙａｄＰ ｗ ｒ ｎｉ ｅｉ ，Ｃ ａｇｈ ｎ ｅ ｉ Ｓｉ ｃ ｎ ｅｈｏｏｙ ｈ ｎｓａ４ ０ ７ ，Ｃ ｉａ Ｃ ｌｇ ｌ ｆＥ ｅ ｎ ｏ ｅ ｇｎ ｒ ｇ ｈｎ ｓａ Ｕ ｉ ｒ ｔ ｏ ｃ ｎｅａ Ｔｃｎｌ ，Ｃ ａｇｈ １０ ６ ｈｎ ） ｇ Ｅ ｅ ｎ ｖ ｓｙｆ ｅ ｄ ｇ
Ａｂ ｔ ａ ｔ ｈ ｌｃｒ － ｐ ｒ ｕ ｆｃ ｔｅ ｇｈ ｎ ｎ ｅ ｈ ｏ ｏ ｙ ｍａ ｅ ｌ ｃｒｄ ｔｒａｓｍｅｔｄ ｏ ｅ ｓ ｒａ ｅ ｏ ｔｉ ｔ ｒ ｌ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｅ ｅｅ ｔ ｓ ａ ｋ ｓ ｒ ｅ ｓｒ ｎ ｔ ｅ ｉ ｇｔ ｃ ｎ ｌｇ ｋ ｓｅ ｅ ｔｏ ｅ ｍａｅ ｉｌ ｌ ｎ ｔ ｕ ｆｃ ｆｍａｒ ｍａｅ ａｓ ｏ ａ ｅ ｈ ｘ ｉ
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［ 摘 要 】电火花表面强化技术 是通过 电火花放 电，将 电极材料熔渗到基体材料表面 ， 使该基材 的表面物理化 学性能和机
械性能得到改善 。针对传统的电火花表面强化技术存在强化效率低 、强化层厚度较 薄等问题 ，探讨 了一种新型 强化设备
电火花表面强化工艺
电火花表面强化工艺我跟你说啊，这电火花表面强化工艺，那可真是个很有意思的事儿。
我就见过那些个搞这个工艺的人，戴着厚厚的眼镜，眼睛紧紧盯着那些个设备，那表情严肃得就像在面对世界上最重要的事儿。
他们的手啊，在那些个操作台上熟练地摆弄着，一会儿调调这个参数，一会儿又检查检查那个线路。
周围的环境呢，到处都是那种金属的味道，还有设备嗡嗡作响的声音，就像一群小蜜蜂在耳边低声细语。
我就好奇啊，凑上去问他们：“这电火花表面强化工艺到底是咋回事儿呢？”有个师傅就转过头来，眼睛里带着那种对自己手艺的骄傲，慢悠悠地跟我说：“嘿，这你就不懂了吧。
这就是利用电火花的能量，在金属表面弄出一层强化层，就好比给金属穿上了一层超级铠甲。
”我听了就觉得特别神奇，又问：“那这层铠甲有啥用呢？”师傅就笑了，脸上的皱纹都挤到一块儿去了，说：“用处可大了去了。
这能让金属表面更耐磨，不容易被腐蚀，就像人的皮肤变得更结实了一样。
”我就站在那儿，看着那些个电火花在金属表面噼里啪啦地闪着，就像小闪电在跳舞。
这时候我就想啊，这小小的电火花竟然有这么大的能耐，能把那些个普普通通的金属变得这么厉害。
这就像我们人一样啊，别看有时候就是一个小小的改变，可能就会有大大的不同呢。
你看那些个金属，原本可能就是个容易生锈、不耐磨的家伙，经过这么一强化，立马就不一样了。
我越想越觉得这个工艺就像是一个魔法，那些个师傅就是魔法师，在他们手下，那些金属就有了新的生命。
我又在那儿看了好一会儿，看着那些个经过强化的金属部件被小心翼翼地拿出来，表面看起来好像和之前没太大区别，但我知道，它们已经变得强大了很多。
这就像是生活中的很多事情，表面上看起来平平无奇，但背后却有着不为人知的努力和神奇的变化。
这电火花表面强化工艺啊，真的是让我开了眼界，我对那些默默搞这个工艺的人也充满了敬意，他们就这么一点一点地，用这个神奇的工艺，改变着这个世界的小角落。
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模板
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, 它是经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进。
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, 能够选用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, 能够进行精密修补, 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, 以便确定是否能够采用电火花强化工艺。
就材料来说, 一般碳钢, 合金工具钢、铸铁等黑色金属一般都能够强化, 而有色金属, 如铜、铝是能够修补的, 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。
不锈钢的电火花表面强化
不锈钢的电火花表面强化不锈钢是一种广泛应用的金属材料，其优异的耐腐蚀性和强度使其成为许多领域的常见选择。
然而，由于其表面硬度较低，在某些应用中，这使得它容易受到磨损和损坏。
为了解决这个问题，一些工程师和科学家研究开发出了一种新技术——电火花表面强化（Electrospark Surface Treatment），可以有效地提高不锈钢的表面硬度和耐磨性。
电火花表面强化是一种金属表面处理技术，通过在金属表面施加高能量的电脉冲，使金属表面产生强烈的放电现象，从而改善其机械性能。
这个过程类似于电火花加工，但它的目的是在金属表面形成一个薄膜层，具有更高的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。
该技术常用于不锈钢、钢和铝合金等金属材料的表面改性。
电火花表面强化的主要原理是通过在金属表面施加高能量的电脉冲，产生局部过热、蒸发和离子化现象，形成氧化物和金属丰富的层，从而增强金属表面的硬度和耐磨性。
此外，这种处理方法还可以改善金属表面的氧化层，并提高其电化学性能，从而提高其抗腐蚀性能。
实验结果表明，电火花表面强化对不锈钢表面硬度的提高效果显著。
通过一系列的实验，可以发现，在研究所用的电参数范围内，“工作频率为1000Hz，脉冲宽度为150μs”时所获得的提高效果最为显著。
在该电参数下处理的30Cr13不锈钢样品，硬度提高了约58.7%，在表面磨耗试验中，其表面磨损率比未处理的样品减少了24.5%。
此外，电火花表面强化还可以改善金属表面的微观结构和化学成分。
研究表明，经过表面强化处理的不锈钢表面层结构更加致密，晶粒尺寸更细小，化学成分均匀，从而使其抗腐蚀性能得到了大幅度的提高。
在一些实际应用中，电火花表面强化也被广泛运用于不锈钢的各种零部件和设备中。
电火花表面强化是一种有效的技术，可以提高不锈钢表面的硬度和耐磨性能。
该技术在工业和科研领域得到了广泛应用，为不锈钢的产品开发和应用提供了重要的技术支持。
电火花表面强化技术及其应用
电火花表面强化技术及其应用摘要：电火花表面强化技术是一种具有独特优势的材料表面技术，其在机械零件表面改性和表面修复等方面具有广阔的应用前景。
本文介绍了电火花表面强化技术的基本原理和特点、工艺的发展，总结了用于电火花表面强化的电极材料和其制备，研究了电火花表面强化设备的发展状况，阐述了电火花表面强化技术的国内外发展概况，分析了该技术在实际工程中的应用，指出了该技术今后的研究方向和发展趋势。
关键词：电火花；表面强化；强化工艺；应用1 前言随着工业现代化的发展，对各种装备零部件表面性能的要求越来越高。
在高速、高温、高压、重载和腐蚀介质等条件下，零部件材料的破坏往往自表面开始，如磨损、腐蚀、高温氧化等，表面的局部破坏经常使整个零部件失效，最终导致整个装备的瘫痪。
利用各种物理、化学或机械的工艺规程能够使零部件表面获得特殊的材料成分、组织结构和性能，提高产品质量[1]。
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“表面”，磨损和腐蚀都从表面开始。
因此，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。
目前主要有几种表面处理的技术,如电火花表面强化、电镀、激光熔覆、等离子弧热喷焊及热喷涂等手段[2]。
电火花强化技术具有强化层厚度深，与基体冶金结合性能好，耐磨性,抗腐蚀性、硬度、导热、导电性能都良好。
其它几种处理技术存在不足，如电镀的涂层较薄，与基体的结合力差;激光熔覆的熔覆层虽然与基体的结合性能好，但设备成本高，熔覆层表面光洁度差;等离子弧热喷焊焊层与基体层冶金结合牢固，但热影响范围大;热喷涂的涂层对基体热影响小，但结合力小,抗磨粒磨损和冲蚀磨损性能差。
相比以上各种技术的优缺点，本文旨在研究其中的电火花表面强化技术。
电火花表面强化技术读书报告
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“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10~2000H 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8000~25000e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］。
电火花表面强化技术
2
电火花加工的条件
▪ 使工具电极和工件被加工表面之间保持一定的间隙 （几um到几百um）。间隙过大，极间电压不能击 穿极间介质，不会产生电火花；间隙过小，容易形 成短路接触，也不能产生火花放电。必须有工具电 极的自动进给和调节装置
▪ 火花放电必须是瞬时的脉冲放电，放电产生的热量 来不及传导扩散到其余部分，否则像电弧放电那样 会使表面烧伤而无法采用脉冲电源
▪ 火花放电必须在有一定绝缘性能的液体介质中进行 （煤油，去离子水等），液体介质还能把放电过程 产生的金属小屑、炭黑等电蚀产物从放电间隙中悬 浮出来，对电极表面有较好的冷却作用。
▪ 工具电极材料的转移：工具电极的材料接触转移到 工件金属熔融表面，一些金属合金元素（W/Ti/Cr） 迅速扩散在金属的表面层。
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3
金属电火花表面强化
▪ 通过电火花放电的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 者的表面物理、化学性能。
▪ 例如把硬质合金等材料涂敷在用碳素钢制成 的各类模具、刀具、量具及机械零件表面， 可以提高其表面硬度（HV1100~1200,相当于 HRC70~72)
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电火花表面强化的物理化学过程
▪ 超高速淬火：电火花放电使工件表面极小面积的金 属被加热到高温，熔化或部分气化，而放电时间很 短暂，被加热的金属周围有大量的冷金属，冷速很 快。
▪ 渗氮；放电区域内温度很高，空气中的氮分子呈原 子状态，与熔化的金属中的一些元素形成氮化物 （氮化铁、氮化铬等）
▪ 渗碳：石墨电极或周围介质的碳元素，溶解在加热 而熔化的铁中，形成金属碳化物（碳化铁、碳化铬)
电火花表面强化技术及其应用
电火花表面强化技术及其应用摘要: 电火花表面强化技术是一种具有独特优势的材料表面技术，其在机械零件表面改性和表面修复等方面具有广阔的应用前景。
介绍了电火花表面强化技术的基本原理和工艺特点，阐述了电火花表面强化技术的发展概况，分析了该技术在机械零部件修复、模具强化等方面的实际工程应用，指出了该技术今后的研究方向和发展趋势。
关键词: 电火花表面强化表面改性修复（一）电火花表面强化技术的基本原理与特点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 ～2000Hz 的频率在电极与零部件之间产生火花放电，在10－6～10－5( s) 内电极与零部件接触的部位即达到5000 ～10000℃的高温，使该区域的局部材料熔化、气化或等离子体化，将电极材料高速过渡并扩散到工作表面，形成冶金结合型牢固强化层。
研究表明，强化层主要由白亮层、扩散区和热影响区构成，涂层组织较细密，具有较高硬度及较好的耐高温性、耐腐蚀性和耐磨性。
电火花表面强化技术能有效地改善零部件表面的物理、化学和机械性能，包括硬度、导热和导电性能等，与常规表面强化工艺相比较，具有以下优点。
( 1) 电火花强化是在空气中进行，不需要特殊、复杂的处理装置和设备。
配套装置简单、灵活，投资和运行费用低，强化工艺环保。
( 2) 热输入量小，放电时间很短，放电端点的面积小，放电的热作用只发生在零部件表面的微小区域内，被强化零部件基体不产生退火或热变形。
( 3) 不受零部件形状限制，可以对平面或曲面形状零部件强化; 对需修复局部、有少量损伤、焊接性差以及淬火状态工件的修复更具优势。
( 4) 强化层是电极和零部件材料在放电时的瞬间高温高压条件下重新合金化形成的新合金层，结合非常牢固，不易发生剥落。
( 5) 强化层厚度、表面粗糙度与脉冲电源的电气参数以及强化时间等有关，控制相对简单。
电火花强化处理后可作为最终工序，加工余量少。
( 6) 电极材料来源广，耗量小，容易实现异种材料强化层，同时可以根据强化目的选择电极材料。
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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。
这样经多次放电后，并相应地移动电极的位置，就可以在工件表面形成结合牢固的强化层。
1.2电火花表面强化技术的特点
1.2.1 强化层的特性
类似于焊接过程，电火花强化也是一个快速加热，快速冷却的过程。
电火花放电过程十分短暂，但是在瞬间可以释放出大量的热能，使得工件表面很小的面积熔化以及部分气化。
火花放电结束后，被加热的金属部分在周围冷的金属以及冷的气体介质中，会快速冷却，发生高速淬火。
另外空气中的氮和来自石墨电极或介质中的碳，在火花放电过程中也会发生渗氮、渗碳现象，生成高硬度的金属氮化物、金属碳化物。
另外电极材料往往本身就是高硬度材料，其熔渗到工件表面也极大地提高了表面硬度和耐磨性能。
合理地选用电极材料还能使强化层具有耐蚀性、耐高温、抗疲劳等特性。
如利用WC、Cr、Mn 作电极强化不锈钢，耐蚀性可提高3-5倍。
采用WC、TiC等硬质合金作电极强化轧辊，可以形成显微硬度1100HV以上的耐磨、耐蚀且具有热硬性的强化层，显著提高了轧辊的寿命。
1.2.2 工艺特性
1、电极材料:电极材料对工件表面强化效果的影响很大。
因为电火花表面强化层与基体结合力较强，所以电极材料的选择主要从材料表面所需要达到的功能方面来考虑。
如对机器磨损部位进行微量修补，可选用碳素钢、黄铜等价格便宜的材料即可。
如需在刀具表面获得高硬度，采用硬质合金作为工具电极要比采用铬锰作为工具电极所得的强化层硬度更高。
2、放电电压：当其他参数一定时，随着放电电压的提高，所得的强
化层厚度也随之增大。
这时因为在强化过程中当放电回路阻抗稳定时，放电电压增大，放电电流也增大，产生的能量也就越大，则单位时间内熔化的电极材料变多，故强化层变厚。
3、脉冲频率：脉冲频率主要影响强化层的表面致密度，当脉冲频率提高时，单位时间内放电次数增多，每次过渡的电极熔融颗粒变小，所获的强化层致密度将提高，光洁度增加，同时也可在一定程度上提高硬度。
但是对于给定的电规准，脉冲频率不可过大，否则可能造成电容器充电不足或放电不完全，从而降低强化层厚度。
4、强化时间：强化时间对强化层影响较为复杂。
在某一最佳强化时间之前，强化层厚度随强化时间增加而增大，且强化层组织较均匀、致密，这是因为在强化初期，电极材料向基体过渡量较小，强化层较薄，尚未完全覆盖工件表层，故表面存在的缺陷也很少，表面质量较好。
当强化时间超过这最佳强化时间的后强化层厚度增幅放缓，且表面粗糙度显著提高，这是因为随着电极熔滴不断向工件沉积，强化层表面的强化点和电蚀凹坑会不断叠加，加上强化过程一般由人手工操作，也会使熔滴涂覆不均匀性增加，故表面粗糙度升高。
但是进一步增加强化时间，粗糙反而又会下降，其原因是强化层表面凸起的较大颗粒与电极间的间距相对更小，故其之间电场强度更大，所以容易被电蚀熔化并填补到凹陷部分，从而使表面粗糙度降低。
5、电容：在其他条件一定时，增大电容的容量，强化层的厚度将增大。
因为在强度过程中，增大电容值，放电电流的脉冲宽度增大，从而放电过程中的平均电流也增大，所释放的能量也随之增大，进而使
强化层变厚。
但是电容量增大，过渡的电极熔滴尺寸也变大，这会使强化层表面粗糙提高。
当电容量增加到一定值时，强化层厚度增速将放缓，直至停止。
与其它常见的表面处理技术相比，如电镀，热喷涂，常规表面化学热处理等。
电火花表面强化技术的优点可以归纳为以下几点：（1）设备简单，操作容易，不需要专业操作人员。
（2）热输入较小，被强化的工件基体不会产生退火或热变形。
（3）强化层与基体冶金结合，结合强度较高，不会发生剥落。
（4）工艺参数可控，电极材料选择范围广。
（5）应用范围广，对于一般几何形状的平面或曲面均可进行强化。
1.3 电火花强化设备
目前国内广泛应用的电火花强化设备有3种，即R-C脉冲电火花强化机，矩形波脉冲电火花强化机，功率开关控制脉冲电火花强化机。
1、R-C电火花脉冲强化机
R-C电火花脉冲强化机是传统的电火花强化机，其采用直流电源利用电阻R与电容C的充放电产生脉冲。
强化电极在振动器带动下周期性地与工件表面接触而产生脉冲放电，熔化电极，形成强化层。
这种设备结构简单，操作方便，输出功率大，强化速度快，但是由于脉冲波形具有随机性，工作状态不够稳定，强化层表面粗糙度较高。
图1-3 R-C脉冲电火花强化机结构原理图
2、矩形波脉冲电火花强化机
矩形波脉冲电火花强化机采用的是矩形波脉冲电源，脉冲频率、占空比、峰值电压均可调节。
脉冲高电平接强化电极，低电平接工件表面。
强化电极通过振动法或旋转法接触工件表面，在脉冲电脑作用下产生电火花，形成强化层。
由于矩形波的参数调整范围大，可灵活控制电火花的强弱，处理后的强化层的表面质量容易控制。
图1-4 矩形波脉冲电火花强化机结构原理图
3、功率开关控制脉冲电火花强化机
功率开关是由能承受较大电流，漏电流较小，在一定条件下有较好饱和导通及截止特性的三极管构成，如晶体管（GTR）,场效应晶体管（MOSFET）,绝缘栅双极型晶体管（IGBT）等。
这种功率开关器件可以实现控制设备的充电与放电过程，使充、放电过程分开、相互独立，避免电火花强化时由于电源短路造成零件损伤的情况。
利用IGBT导通特性好，易向高电压、大电流、高频率的扩展等特点，生产的IGBT 开关控制脉冲电火花强化机可以提高强化功率及脉冲频率，提高设备工作稳定性。
图1-5 IGBT控制脉冲放电回路
1.4电火花表面强化技术的应用
由于电火花表面强化的一系列优点，使得该技术在许多行业得到了广泛的应用。
1、模具修复
模具在使用过程中，不可避免地要发生磨损，这样会造成模具的几何尺寸变化，产品的质量难以保证。
利用电火花表面强化技术修复模具，可以使模具的寿命大幅提高。
如某厂采用3Cr2W8V制造的压铸模具，经过WC-Ti作为电极进行电火花表面强化，并经油石研磨
处理，其模具寿命由原来的1-2万件，提升到8万件。
2、航空工业
随着航空领域对材料的性能要求越来越高，电火花表面强化技术被广泛地用来强化关键零部件。
如俄罗斯航空部门利用此技术在战斗机透平叶片表面强化WC、C、Ni基材料，以提高部件的寿命。
国内某航空发动机公司曾与中国农机院表面工程技术研究所合作，采用电火花表面强化技术成功在发动机叶片榫槽处制造出高可靠性微动磨损的WC-Co强化层，使叶片的使用寿命大大提高。
3、电力行业
早在1999年，中国农机院表面所就采用电火花表面强化技术成功修复了重庆华能珞璜电厂30万KW发电组轴径密封段磨损面，解决了此类部件不能以焊接修复，而喷涂，电镀结合强度又不够的技术难题。
此后该技术在电力行业的应用开始快速发展，取得了显著经济效益。
4、其它行业
电火花表面强化技术除了在以上领域广泛应用外，在诸如修复轧辊，强化刀具，提高钻头性能等方面的效果也非常显著。