电火花加工用工具电极材料的研究进展

 1引言 

    在电火花加工中，工具电极是一项非常重要的因素，电极材料的性能将影响电极的电火花加工性能（材料去除率、工具损耗率、工件表面质量等），因此，正确选择电极材料对于电火花加工至关重要。 
    电火花加工用工具电极材料应满足高熔点、低热胀系数、良好的导电导热性能和力学性能等基本要求，从而在使用过程中具有较低的损耗率和抵抗变形的能力。电极具有微细结晶的组织结构对于降低电极损耗也比较有利，一般认为减小晶粒尺寸可降低电极损耗率。此外，工具电极材料应使电火花加工过程稳定、生产率高、工件表面质量好，且电极材料本身应易于加工、来源丰富及价格低廉。 
    由于电火花加工的应用范围不断扩展，对与之相适应的电极材料（包括相应的电极制备方法）也不断提出新的要求。随着材料科学的发展，人们对电火花加工工具电极材料不断进行着探索和创新，目前在研究和生产中已经使用的工具电极材料有石墨、Cu或W等单金属、Cu或W基合金、钢、铸铁、Cu基复合材料、聚合物复合材料和金刚石等几大类。 

    2普通电火花加工用工具电极材料 

    （1）石墨 
    石墨具有良好的导电导热性和可加工性，是电火花加工中广泛使用的工具电极材料。 
    石墨有不同的种类，可按石墨粒子的大小、材料的密度和机械与电性能进行分级。其中，细级石墨的粒子和孔隙率较小，机械强度较高，价格也较贵，用于电火花加工时通常电极损耗率较低，但材料去除率相应也要低一些。市场上供应的石墨等级平均粒子大小在20μm以下，选用时主要取决于电极的工作条件（粗加工、半精加工或精加工）以及电极的几何形状。工件加工表面粗糙度与石墨粒子的大小有直接关系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等级专门用于精加工。K.L.Aas用两种不同等级的石墨电极加工难加工材料上的深窄槽，比较了它们的材料去除率和电极损耗率。研究结果表明，石墨种类的选择主要取决于具体的电火花加工对材料去除率和电极损耗率哪方面的要求更高。 
    与其它电极材料相比，石墨电极可采用大的放电电流进行电火花加工，因而生产率较高；粗加工时电极的损耗率较小，但精加工时电极损耗率增大，加工表面粗糙度较差。石墨电极重量轻，价格低。由于石墨具有高脆性，通常难以用机械加工方法做成薄而细的形状，因此在精细复杂形状电火花加工中的应用受到限制，而采用高速铣削可以较好解决这一问题。 
    为了改善石墨电极的电火花加工性能，O.Akira等将石墨粉烧结电极浸入熔化的金属（Cu或Al）中，并对液态金属施加高压，使金属Cu或Al填充到石墨电极的孔隙中，以改善其强度和导热性。注入金属后，石墨电极的密度、热导率和弯曲强度增大，电阻率大幅度降低，电极表面粗糙度得到改善。实验研究结果表明，这种新材料电极与常规石墨电极相比，电极损耗率和材料去除率无明显差别，但加工表面粗糙度更小，尤其是注入Cu的石墨电极可获得小得多的加工表面粗糙度。 
    （2）Cu、Cu基合金及Cu基复合材料 
    纯Cu（电解铜，俗称紫铜）也是一种常用的电极材料，尤其是加工有色金属材料时，常用电解铜作为工具电极材料。 
    Cu的熔点较低，电极损耗率较大，因此需要引入另一种高熔点材料来降低电极损耗率。Cu－W合金兼有Cu的高导热性和W的高熔点、低热胀系数和耐电火花侵蚀能力强的特点，使其成为一种高性能的工具电极材料。Cu－W电极主要用于加工模具钢和WC工件，其中的Cu、W含量比一般为25:75。但由于Cu－W电极的价格比普通的Cu或石墨电极高，因此目前在生产中应用并不多。  #p#分页标题#e#
    S.Singh等采用Cu、Cu－W合金、黄铜和Al电极加工一种淬硬工具钢，结果表明，Cu和Al电极的加工速度和加工精度较高，Cu和Cu－W电极的损耗率最小，黄铜的电极损耗率最大。相比而言，Cu是一种较好的电极材料，它能获得较高的加工精度和较好的加工表面粗糙度，且有高的材料去除率和低的电极损耗率。Al的性能仅次于Cu，在加工表面粗糙度要求不高时可以选用。雍耀维等[7]以Cu、W和Cu－W合金作为电极材料加工硬质合金，结果表明，Cu－W合金电极可明显提高加工速度，且在较低的加工电压下电极损耗并不大，因此Cu－W合金是加工硬质合金的理想电极材料。 
    TiC是一种高硬度耐火材料，熔点高，耐热冲击和磨损性能好。L.Li等研究了烧结Cu/TiC、Cu－W/TiC电极中TiC对工具电极电火花加工性能的影响，结果表明，含5％～45％TiC的Cu/TiC电极损耗率均低于常规的Cu电极。综合考虑加工性能，25％的TiC是较理想的成分比例。Cu－W/TiC电极材料也显示出良好的性能，其大多数电火花加工表面的粗糙度优于Cu－W电极加工表面，因而可用于精加工。对于Cu－W/TiC电极材料，添加15％的TiC可获得最佳效果。 
    ZrB2和TiSi具有良好的导电导热性和高熔点，H.M.Zaw等研究了用不同含量的Cu与ZrB2或TiSi采用粉末冶金法制作电火花加工工具电极，并与石墨、Cu和Cu－W等电极材料的电火花加工性能进行了比较。结果表明，TiSi/Cu电极损耗严重、加工速度低、加工表面粗糙，因而该材料不适合用作电火花加工电极。ZrB2/Cu可用作电极材料，但Cu基体与ZrB2之间的结合力较差，ZrB2的含量和电极制作工艺参数会影响这种电极的电火花加工性能。 
    TiB2颗粒具有熔点高、导电导热性良好、热胀系数低等特性，TiB2/Cu复合材料具有良好的导电性、耐高温性和力学性能，符合电火花加工工具电极材料的基本要求。邱彦等采用粉末冶金TiB2/Cu复合材料电极进行了电火花加工试验，分析了复合材料的电火花加工损耗机理，结果表明，TiB2/Cu电极的电火花加工特性与其它Cu基复合材料电极类似，TiB2体积分数为5％时电极材料的电火花加工效果较好。 
    电火花磨削通常采用Cu基复合材料电极。K.M.Shu等用Cu/SiCp复合电极进行电火花磨削，这种含有一定量SiCp的复合材料电极在硬度和耐磨性上比纯Cu电极有明显改善，而电性能几乎保持不变，导热性好并具有较高的耐热冲击性能，表现出电极损耗率低的特点。含有2％SiCp的Cu/SiCp复合材料电极的电火花磨削效果最优。 
    采用电铸方法制备电极时，由于电铸Cu的工艺较为成熟，因此对电铸Cu（包括Cu基复合材料）电极的研究较多。电铸获得的Cu或Cu基复合材料组织致密，可达到较小的晶粒尺寸。研究表明，晶粒细小、组织致密的电极表面由于火花放电时材料熔化抛出而形成的凹坑较小，可使电极损耗率降低。 
    （3）聚合物复合材料 
    A.Curodeau等采用一种导电热塑性聚合物复合材料作为电极，以空气或水作为工作介质，进行工件表面的电火花加工或抛光。所用电极是由60％～65％的固态碳材料（如细的碳黑粉、石墨粉、石墨片甚至碳纳米管等的混合物）均匀分布在热塑性基体材料（如聚苯乙烯）中制成的，可反复软化并模压成所需几何形状。与石墨电极相比，这种聚合物－碳复合材料电极成本较低，可模压成复杂几何形状，制作速度比铣削加工快得多；同时其密度较低、电阻率较高，因而电极损耗率较高，不过电极在使用过程中可通过重新模压而加以修整。 
    该复合材料的组分仍处于研究开发阶段，好的可塑性电极应有低电阻率、高热导率、低热胀系数以及良好的可成形性和在水中的尺寸稳定性，并能耐热循环。  #p#分页标题#e#
    （4）金刚石 
    K.Suzuki等研究了用导电的CVD金刚石厚膜（0.5mm）作为电极材料进行电火花加工。这种CVD金刚石在CVD过程中通过掺杂硼而具有导电性，其电阻小、导热系数高，对电火花加工时油类工作介质中析出的碳有很强的吸附能力。电火花加工试验表明，在一定的加工条件下，CVD金刚石电极可达到很高的材料去除率，而电极损耗几乎为零，尤其是它可在无法采用Cu或石墨电极的高电流密度下进行加工。但是，导电CVD金刚石存在成本高、尺寸受限制等问题，因此K.Suzuki等又采用了聚晶金刚石（PCD）作为电极材料进行电火花加工。所用PCD材料是用微米级金刚石颗粒在超高压力和温度、存在金属催化剂的条件下以Co为粘结剂烧结而成的，其导热性接近导电CVD金刚石。采用不同粒度的金刚石可得到不同等级的PCD材料，其导热性有所不同。研究表明，在一定的电火花加工条件下，其电极损耗很小或为零。随着热导率的增加，不同等级的PCD材料电极在电火花加工时的材料去除率和电极损耗都有所降低。由于PCD材料具有与导电CVD金刚石相近的电火花加工效果，但成本较低，因而有可能成为一种较理想的电极材料。 

    3电火花表面改性用电极材料 

    电火花表面改性大多是利用电火花加工时电极发生损耗的特点，使电极材料转移到被加工材料表面，从而形成高硬度、高耐磨的涂层，通常是利用工作液煤油中热分解出来的碳微粒与迅速损耗而脱落的电极材料发生化学反应，形成碳化物堆积在工件表面上。要实现这种形式的电火花表面改性，工具电极应选用热导率低的材料，使其能产生较大损耗，同时电极材料应比较容易形成硬质碳化物。 
    目前，电火花表面改性主要采用几种材料的固体电极，如Si电极、Ti电极或W电极，或采用多种粉末材料制成的压结体或烧结体电极，所用粉末材料包括Al、Ti、W、Ti和Al混合粉末、WC、TiC以及陶瓷和结合剂（如WC＋Co、WC＋Fe、WC＋TiC＋Co、TiC＋Co、VC＋Co）等。使用这样的电极进行电火花加工，可在加工表面形成一层或多层具有不同机械性能的涂层。选用粉末材料制备电极时，粉末的粒度对电极的制作工艺及成本、改性表面的粗糙度等有很大影响。 
    J.Simao等用粉末冶金并预烧结过的WC/6%Co电极加工工具钢进行表面合金化，电极中的元素（特别是W）与碳氢化合物工作介质中的碳一起以梯度形式转移到工件表层中。H.C.Tsai等采用含树脂的Cu粉与Cr粉经模压制成Cu－Cr复合电极，在电火花加工时电极中的Cr元素迁移到工件表面，使加工表面获得了良好的耐蚀性。随着电极中Cr含量的增加，电火花加工时的材料去除率降低，但加工表面耐蚀性增强。 
    此外，方宇等用TiC＋Co半烧结电极对普通碳素钢工件进行了电火花表面改性。蒋宝庆等用W粉、石墨粉及聚乙烯醇粘结剂得到的压结体电极对LC4铝合金工件进行了电火花表面改性。连峰直接利用YT15硬质合金材料作为电极对45钢进行了电火花加工，正极性加工时工件表面可得到显微硬度大大高于基体的白亮层。 

    4微细电火花加工用电极材料 

    在微细电火花加工中，使用微细电极后通常会增加单位面积的电火花能量，造成较大的电极损耗，从而不易达到高精度加工的目标。此时可选择合适的电火花加工参数，以减小单位面积的放电能量，但这样会延长加工时间；另外可使用低损耗的电极材料。微细电火花加工中采用的电极材料主要有Cu、W、Cu－W和WC等，其中微细电火花打孔和铣削加工中采用的电极主要是W或WC的棒或管。 
    Y.Y.Tsai等在研究微细电火花加工电极的耐损耗性时，采用的电极材料有Ag、Al、Cu、Fe、Mo、Ni、Pt、Ti、Ta和W。结果表明，沸点、熔点和热导率较高的电极材料损耗较小，其中加工不锈钢、纯Cu和纯Fe工件时W电极的损耗最小，Cu、Ag电极的损耗小于Fe、Ni电极，Al电极的损耗最大。  #p#分页标题#e#
    明平美等用电铸Cu、Cu基复合材料电极进行微细电火花加工，研究了电极材料的抗电蚀性。在适当的电铸工艺条件下得到的材料具有很强的抗电蚀性，而当在电铸Cu溶液中加入较多纳米氧化镧添加剂时，得到的电铸Cu中出现了纳米氧化镧第二相，使材料的导电导热性能降低，削弱了它的抗电蚀能力。在电铸Cu溶液中加入微粉石墨，通过复合电铸得到Cu－石墨复合材料，这种材料是在Cu主体中引入微粉石墨，其微观形貌为Cu主体中均匀镶嵌着内核为片状石墨、外裹Cu的片状“微粒中心”。试验表明，含适量石墨的这种复合材料电极的抗电蚀性能比Cu好得多，分析认为，这是由于材料中的“微粒中心”在电火花加工过程中综合了外层Cu的优良导热性能和石墨内核的储热与抗电蚀能力，且经过一段时间放电后露出的石墨内核起到了骨架的作用，可减少液体金属的飞溅。 
    由于导电CVD金刚石膜作为电极材料时损耗很小，因而将其作为微细电火花加工中的电极材料具有很好的应用前景。而且，用导电CVD金刚石膜作为电极电火花加工同样的金刚石膜时，可以很好地控制后者的加工形状和尺寸，使其可以作为微细电火花加工中不同形状的电极。
 
    5结语 

    在不同的工艺参数条件下加工不同材料的工件时，采用不同电极材料得到的加工效果是不同的，因而不同的电极材料适用于不同的加工场合。人们根据各种电火花加工的需要，已研究和应用了多种电极材料，电极材料的发展又推动着电火花加工工艺的进步。一些新的电极材料还需作进一步的研究和改进才能得到实际应用。选用电极材料时，需要综合考虑电火花加工工艺方法、工件材料与形状、加工要求、经济性等多方面的因素。