電火花表面處理技術及其在模具中的應用

（天津職業技術師范大學，天津 300222）

摘 要：簡述了模具在產品制造業中的重要性及存在問題，介紹了電火花表面技術的強化層特性及其優點，重點突出電火花表面處理技術在模具強化和損傷修復中的應用和重要意義，并展望了電火花表面處理技術在模具業的發展前景。

關鍵詞：電火花;表面處理;模具;強化;損傷修復

模具工業是國家經濟發展的基礎產業，是先進制造業的重要組成部分，同時也是一個國家制造業水平的重要體現。但是模具在設計、生產和使用時難免出現各種問題，如模具開發設計過程中的尺寸誤差過大;模具制造時人為因素產生的劃擦;運行中源于外界的復雜的載荷使模具表面產生的變形和斷裂，甚至表面失效破壞。這不僅使模具表面精度極度下降，還會對后期產品質量帶來嚴重影響。對于上述棘手問題，若通過廠家前來維修、模具返廠、更換新模具來解決，既浪費時間，造成重大損失，又可能會增大生產成本。所以如何提高模具的質量、可靠性和模具使用壽命是模具研制和探索中的核心技術。

為改善和解決上述問題，對模具實施一定的表面處理技術是一種行之有效的重要途徑。而電火花表面處理技術[1～2]，既能改善模具表面質量，提高硬度和表面耐性等性能[3]，又能修復模具表面磨損破壞部位，實現模具的“廢物再利用”，延長模具的生命全周期，使模具能夠再次投入生產，減小損失，大大提高經濟效益和社會效益。

1 電火花表面技術

電火花表面技術，是利用脈沖電流瞬間放電產生的高能量密度電能，使電極材料和工件表面材料在高溫高壓下局部熔化，在工件表面相互熔滲擴散，發生物理化學反應而形成的具有優良性能的合金化層。強化過程大致分為：高溫高壓下熔融材料發生物理化學冶金反應;熔融區基體材料和電極材料以及液體與固體界面的相互擴散;溫度急劇升溫和快速冷卻使熔區發生奧氏體和馬氏體轉變，細化晶粒，產生殘余應力，從而提高疲勞強度。

對于強化層，它的特性與其他表面處理工藝有所區別。電火花強化層的表面形貌是由很多密集的增強相點和放電凹坑組成，這種結構有利于提高表面耐磨性。強化層組織大致分為三層：強化電極和工件材料元素及氧化物、氮化物組成的表層;內側是由電極材料熔滲擴散到基體后，經瞬間高溫淬火形成的擴散層;再往里是基體組織。可見強化層的形成不是簡單的材料堆積和疊加，而是由電極、工件元素以及空氣電離粒子等發生劇烈的物理化學反應而重新合金化的結果。

2 電火花表面技術在模具上的應用

生活中輕工產品、家用電器已有80%以上的零部件采用模具成型，其他如機械、電機、儀表等行業也占60%以上，同時模具的發展在很大程度上也決定著后續產品的質量、經濟效益及新產品的開發，所以模具在制造業中扮演著越來越關鍵的角色。而電火花處理技術對工件表面強化和損傷部位的修復操作方便，且成本低、能耗小，近年來來在模具領域應用甚廣。如材料為Cr12的定子雙槽模的表面強化，工件材料是硅鋼片，強化部位是刃口內側面，強化后根據尺寸配合進行后處理。強化結果顯示，刃磨一次的使用壽命從原始的5萬次提高到20萬次，使用壽命提高3倍左右，耐磨性明顯改善。何水云等人對全順后立柱板進行了電火花表面強化和修復[4]，減少模具拉傷狀況。張蓉對模具的磨損表面也做了相關研究[5]，針對不同的模具損壞提出了相應的修復方案，如HYK6700型汽車底梁拉模的凹模凸緣和圓角部分，通過電火花放電修復，重新投入使用，且延長了使用壽命。另外，在對Cr12MoV鋼為材料制作的冷模具的棱邊磨損和劃痕表面修復和補焊[6]，以及采用電火花表面技術強化修復后的模芯方面也獲得較好的效果。

相比于其他表面處理技術如堆焊、PVD、CVD等等，電火花表面處理技術有以下獨特之處：

（1）應用范圍廣，可適應于眾多導電材料，以及可熔融金屬和陶瓷材料。

（2）易于實現自動化，在表面強化或修補的同時，不會產生噪聲、水等污染，是一種良好的環境友好型表面處理技術。

（3）可應用在構造復雜、裝卸不便的零部件的表面強化和磨損修復，如零件的內孔、凹槽等部位。

（4）操作簡單，對需要強化的部位要求不高，僅僅簡單的前處理即可。對有些表面粗糙度要求不高的情況下，甚至可以不做處理。

（5）能量輸入低，瞬間的脈沖電流能量使強化區域局部熔化，熱影響區及變形較小，能保持基體的內部力學性能，故對基體的影響甚微。

（6）冷卻凝固所需時間極短。電火花放電脈沖寬度比脈沖間隔大，放電產生熱量迅速擴散到工件其它位置，所以熱量不會聚集在強化或修復部位，實現冷焊。

（7）強化層與基體的冶金相結合度較強，不易脫落和皸裂，明顯優于其它處理技術。

（8）強化層組織細密，厚度均勻，一致性較好。

（9）電火花放電設備攜帶便捷。這對于大型笨重工件或裝卸困難的設備實施表面強化或在線表面修復尤為重要。

3 模具電火花表面技術發展前景

近年來，隨著科學技術的發展和各種新材料、新工藝和新技術的出現，產品功能的多樣化和結構的日趨復雜化，這就要求結構和設計更為復雜的模具與之相適應。在一定程度上大力推動了模具朝著高精度、壽命長、制造周期短、低成本低以及中高檔方向迅速發展，使模具具有更為優越的使用性能和價值。

電火花表面技術是以傳統處理方法為根基，繼續延伸和擴展而成一種表面技術，具有多種技術、理論和方法的交叉性與綜合性。而模具電火花表面強化和修復是制造業節約成本和節能降耗的有效手段，通過改善傳統的表面處理技術或者在其基礎上融合各種處理技術，開拓創新出更適宜提高現代模具性能的強化工藝方法，實現了節約稀有金屬材料和降低能耗的目的。對于因尺寸設計不當導致的錯誤加工以及運作過程中出現的磨蝕，采用電火花技術進行及時補救和修復，可使報廢模具獲得再生，最大限度的減少經濟損失，為企業和社會創造更大效益。鑒于電火花處理技術的易操作、低能耗和小成本等優點，這種技術在模具行業的應用前景將會越來越大，應用領域也會越來越廣。

4 結語

電火花表面強化技術對模具制造業的發展起到不可估量的作用。一是“防患于未然”，即通過這種處理技術，提高模具表面特性，延長其使用壽命;二是“亡羊補牢”，也就是對因生產超差、運行磨損和源于惡劣工況影響導致的模具破壞進行修復，使其投入再生產，延長模具生命全周期，最大挖掘產品的使用潛能，使其創造更大的經濟效益和社會效益，同時也是積極響應國家“節能降耗，大力倡導可持續發展戰略”的完美體現。迫于模具產業發展的高要求以及制造業的不斷壯大，電火花表面處理技術在模

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具上的應用也將得到進一步推廣，同時在其他眾多領域也勢必得到更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]游國強，陳勇，張均成等.電火花堆焊技術的研究與應用現狀[J]. 材料導報，2011，25（11）：119-123.

[2]錢苗根.現代表面工程[M].上海：上海交通大學出版社，2012.

[3]高玉魁.模具的表面強化與涂層改性工藝技術[J].金屬加工，2009（09）：17-19.

[4]何水云，楊安.電火花堆焊工藝在沖壓模具維修上的應用[J]. 金屬成形工藝，2004，22（03）：72-77.

[5]張蓉，楊湘紅.用電火花強化工藝修復模具磨損表面[J].模具制造，2003（03）：49-50.

[6]胡仲翔，楊軍偉，李強.微區脈沖點焊技術用于模具修復[J]. 中國表面工程，2002（01）：21.

作者簡介：潘康（1987-），男，河南商丘人，碩士，研究方向：特種加工與精密制造。