電火花加工用工具電極材料的研究進展

電火花加工用工具電極材料的研究進展

1引言

在電火花加工中，工具電極是一項非常重要的因素，電極材料的性能將影響電極的電火花加工性能（材料去除率、工具損耗率、工件表面質量等），因此，正確選擇電極材料對于電火花加工至關重要。
電火花加工用工具電極材料應滿足高熔點、低熱脹系數、良好的導電導熱性能和力學性能等基本要求，從而在使用過程中具有較低的損耗率和抵抗變形的能力。電極具有微細結晶的組織結構對于降低電極損耗也比較有利，一般認為減小晶粒尺寸可降低電極損耗率。此外，工具電極材料應使電火花加工過程穩定、生產率高、工件表面質量好，且電極材料本身應易于加工、來源豐富及價格低廉。
由于電火花加工的應用范圍不斷擴展，對與之相適應的電極材料（包括相應的電極制備方法）也不斷提出新的要求。隨著材料科學的發展，人們對電火花加工工具電極材料不斷進行著探索和創新，目前在研究和生產中已經使用的工具電極材料有石墨、Cu或W等單金屬、Cu或W基合金、鋼、鑄鐵、Cu基復合材料、聚合物復合材料和金剛石等幾大類。

2普通電火花加工用工具電極材料

（1）石墨
石墨具有良好的導電導熱性和可加工性，是電火花加工中廣泛使用的工具電極材料。
石墨有不同的種類，可按石墨粒子的大小、材料的密度和機械與電性能進行分級。其中，細級石墨的粒子和孔隙率較小，機械強度較高，價格也較貴，用于電火花加工時通常電極損耗率較低，但材料去除率相應也要低一些。市場上供應的石墨等級平均粒子大小在20μm以下，選用時主要取決于電極的工作條件（粗加工、半精加工或精加工）以及電極的幾何形狀。工件加工表面粗糙度與石墨粒子的大小有直接關系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等級專門用于精加工。K.L.Aas用兩種不同等級的石墨電極加工難加工材料上的深窄槽，比較了它們的材料去除率和電極損耗率。研究結果表明，石墨種類的選擇主要取決于具體的電火花加工對材料去除率和電極損耗率哪方面的要求更高。
與其它電極材料相比，石墨電極可采用大的放電電流進行電火花加工，因而生產率較高；粗加工時電極的損耗率較小，但精加工時電極損耗率增大，加工表面粗糙度較差。石墨電極重量輕，價格低。由于石墨具有高脆性，通常難以用機械加工方法做成薄而細的形狀，因此在精細復雜形狀電火花加工中的應用受到限制，而采用高速銑削可以較好解決這一問題。
為了改善石墨電極的電火花加工性能，O.Akira等將石墨粉燒結電極浸入熔化的金屬（Cu或Al）中，并對液態金屬施加高壓，使金屬Cu或Al填充到石墨電極的孔隙中，以改善其強度和導熱性。注入金屬后，石墨電極的密度、熱導率和彎曲強度增大，電阻率大幅度降低，電極表面粗糙度得到改善。實驗研究結果表明，這種新材料電極與常規石墨電極相比，電極損耗率和材料去除率無明顯差別，但加工表面粗糙度更小，尤其是注入Cu的石墨電極可獲得小得多的加工表面粗糙度。
（2）Cu、Cu基合金及Cu基復合材料
純Cu（電解銅，俗稱紫銅）也是一種常用的電極材料，尤其是加工有色金屬材料時，常用電解銅作為工具電極材料。
Cu的熔點較低，電極損耗率較大，因此需要引入另一種高熔點材料來降低電極損耗率。Cu－W合金兼有Cu的高導熱性和W的高熔點、低熱脹系數和耐電火花侵蝕能力強的特點，使其成為一種高性能的工具電極材料。Cu－W電極主要用于加工模具鋼和WC工件，其中的Cu、W含量比一般為25:75。但由于Cu－W電極的價格比普通的Cu或石墨電極高，因此目前在生產中應用并不多。
S.Singh等采用Cu、Cu－W合金、黃銅和Al電極加工一種淬硬工具鋼，結果表明，Cu和Al電極的加工速度和加工精度較高，Cu和Cu－W電極的損耗率最小，黃銅的電極損耗率最大。相比而言，Cu是一種較好的電極材料，它能獲得較高的加工精度和較好的加工表面粗糙度，且有高的材料去除率和低的電極損耗率。Al的性能僅次于Cu，在加工表面粗糙度要求不高時可以選用。雍耀維等[7]以Cu、W和Cu－W合金作為電極材料加工硬質合金，結果表明，Cu－W合金電極可明顯提高加工速度，且在較低的加工電壓下電極損耗并不大，因此Cu－W合金是加工硬質合金的理想電極材料。
TiC是一種高硬度耐火材料，熔點高，耐熱沖擊和磨損性能好。L.Li等研究了燒結Cu/TiC、Cu－W/TiC電極中TiC對工具電極電火花加工性能的影響，結果表明，含5％～45％TiC的Cu/TiC電極損耗率均低于常規的Cu電極。綜合考慮加工性能，25％的TiC是較理想的成分比例。Cu－W/TiC電極材料也顯示出良好的性能，其大多數電火花加工表面的粗糙度優于Cu－W電極加工表面，因而可用于精加工。對于Cu－W/TiC電極材料，添加15％的TiC可獲得最佳效果。
ZrB2和TiSi具有良好的導電導熱性和高熔點，H.M.Zaw等研究了用不同含量的Cu與ZrB2或TiSi采用粉末冶金法制作電火花加工工具電極，并與石墨、Cu和Cu－W等電極材料的電火花加工性能進行了比較。結果表明，TiSi/Cu電極損耗嚴重、加工速度低、加工表面粗糙，因而該材料不適合用作電火花加工電極。ZrB2/Cu可用作電極材料，但Cu基體與ZrB2之間的結合力較差，ZrB2的含量和電極制作工藝參數會影響這種電極的電火花加工性能。
TiB2顆粒具有熔點高、導電導熱性良好、熱脹系數低等特性，TiB2/Cu復合材料具有良好的導電性、耐高溫性和力學性能，符合電火花加工工具電極材料的基本要求。邱彥等采用粉末冶金TiB2/Cu復合材料電極進行了電火花加工試驗，分析了復合材料的電火花加工損耗機理，結果表明，TiB2/Cu電極的電火花加工特性與其它Cu基復合材料電極類似，TiB2體積分數為5％時電極材料的電火花加工效果較好。
電火花磨削通常采用Cu基復合材料電極。K.M.Shu等用Cu/SiCp復合電極進行電火花磨削，這種含有一定量SiCp的復合材料電極在硬度和耐磨性上比純Cu電極有明顯改善，而電性能幾乎保持不變，導熱性好并具有較高的耐熱沖擊性能，表現出電極損耗率低的特點。含有2％SiCp的Cu/SiCp復合材料電極的電火花磨削效果最優。
采用電鑄方法制備電極時，由于電鑄Cu的工藝較為成熟，因此對電鑄Cu（包括Cu基復合材料）電極的研究較多。電鑄獲得的Cu或Cu基復合材料組織致密，可達到較小的晶粒尺寸。研究表明，晶粒細小、組織致密的電極表面由于火花放電時材料熔化拋出而形成的凹坑較小，可使電極損耗率降低。
（3）聚合物復合材料
A.Curodeau等采用一種導電熱塑性聚合物復合材料作為電極，以空氣或水作為工作介質，進行工件表面的電火花加工或拋光。所用電極是由60％～65％的固態碳材料（如細的碳黑粉、石墨粉、石墨片甚至碳納米管等的混合物）均勻分布在熱塑性基體材料（如聚苯乙烯）中制成的，可反復軟化并模壓成所需幾何形狀。與石墨電極相比，這種聚合物－碳復合材料電極成本較低，可模壓成復雜幾何形狀，制作速度比銑削加工快得多；同時其密度較低、電阻率較高，因而電極損耗率較高，不過電極在使用過程中可通過重新模壓而加以修整。
該復合材料的組分仍處于研究開發階段，好的可塑性電極應有低電阻率、高熱導率、低熱脹系數以及良好的可成形性和在水中的尺寸穩定性，并能耐熱循環。
（4）金剛石
K.Suzuki等研究了用導電的CVD金剛石厚膜（0.5mm）作為電極材料進行電火花加工。這種CVD金剛石在CVD過程中通過摻雜硼而具有導電性，其電阻小、導熱系數高，對電火花加工時油類工作介質中析出的碳有很強的吸附能力。電火花加工試驗表明，在一定的加工條件下，CVD金剛石電極可達到很高的材料去除率，而電極損耗幾乎為零，尤其是它可在無法采用Cu或石墨電極的高電流密度下進行加工。但是，導電CVD金剛石存在成本高、尺寸受限制等問題，因此K.Suzuki等又采用了聚晶金剛石（PCD）作為電極材料進行電火花加工。所用PCD材料是用微米級金剛石顆粒在超高壓力和溫度、存在金屬催化劑的條件下以Co為粘結劑燒結而成的，其導熱性接近導電CVD金剛石。采用不同粒度的金剛石可得到不同等級的PCD材料，其導熱性有所不同。研究表明，在一定的電火花加工條件下，其電極損耗很小或為零。隨著熱導率的增加，不同等級的PCD材料電極在電火花加工時的材料去除率和電極損耗都有所降低。由于PCD材料具有與導電CVD金剛石相近的電火花加工效果，但成本較低，因而有可能成為一種較理想的電極材料。

3電火花表面改性用電極材料

電火花表面改性大多是利用電火花加工時電極發生損耗的特點，使電極材料轉移到被加工材料表面，從而形成高硬度、高耐磨的涂層，通常是利用工作液煤油中熱分解出來的碳微粒與迅速損耗而脫落的電極材料發生化學反應，形成碳化物堆積在工件表面上。要實現這種形式的電火花表面改性，工具電極應選用熱導率低的材料，使其能產生較大損耗，同時電極材料應比較容易形成硬質碳化物。
目前，電火花表面改性主要采用幾種材料的固體電極，如Si電極、Ti電極或W電極，或采用多種粉末材料制成的壓結體或燒結體電極，所用粉末材料包括Al、Ti、W、Ti和Al混合粉末、WC、TiC以及陶瓷和結合劑（如WC＋Co、WC＋Fe、WC＋TiC＋Co、TiC＋Co、VC＋Co）等。使用這樣的電極進行電火花加工，可在加工表面形成一層或多層具有不同機械性能的涂層。選用粉末材料制備電極時，粉末的粒度對電極的制作工藝及成本、改性表面的粗糙度等有很大影響。
J.Simao等用粉末冶金并預燒結過的WC/6%Co電極加工工具鋼進行表面合金化，電極中的元素（特別是W）與碳氫化合物工作介質中的碳一起以梯度形式轉移到工件表層中。H.C.Tsai等采用含樹脂的Cu粉與Cr粉經模壓制成Cu－Cr復合電極，在電火花加工時電極中的Cr元素遷移到工件表面，使加工表面獲得了良好的耐蝕性。隨著電極中Cr含量的增加，電火花加工時的材料去除率降低，但加工表面耐蝕性增強。
此外，方宇等用TiC＋Co半燒結電極對普通碳素鋼工件進行了電火花表面改性。蔣寶慶等用W粉、石墨粉及聚乙烯醇粘結劑得到的壓結體電極對LC4鋁合金工件進行了電火花表面改性。連峰直接利用YT15硬質合金材料作為電極對45鋼進行了電火花加工，正極性加工時工件表面可得到顯微硬度大大高于基體的白亮層。

4微細電火花加工用電極材料

在微細電火花加工中，使用微細電極后通常會增加單位面積的電火花能量，造成較大的電極損耗，從而不易達到高精度加工的目標。此時可選擇合適的電火花加工參數，以減小單位面積的放電能量，但這樣會延長加工時間；另外可使用低損耗的電極材料。微細電火花加工中采用的電極材料主要有Cu、W、Cu－W和WC等，其中微細電火花打孔和銑削加工中采用的電極主要是W或WC的棒或管。
Y.Y.Tsai等在研究微細電火花加工電極的耐損耗性時，采用的電極材料有Ag、Al、Cu、Fe、Mo、Ni、Pt、Ti、Ta和W。結果表明，沸點、熔點和熱導率較高的電極材料損耗較小，其中加工不銹鋼、純Cu和純Fe工件時W電極的損耗最小，Cu、Ag電極的損耗小于Fe、Ni電極，Al電極的損耗最大。
明平美等用電鑄Cu、Cu基復合材料電極進行微細電火花加工，研究了電極材料的抗電蝕性。在適當的電鑄工藝條件下得到的材料具有很強的抗電蝕性，而當在電鑄Cu溶液中加入較多納米氧化鑭添加劑時，得到的電鑄Cu中出現了納米氧化鑭第二相，使材料的導電導熱性能降低，削弱了它的抗電蝕能力。在電鑄Cu溶液中加入微粉石墨，通過復合電鑄得到Cu－石墨復合材料，這種材料是在Cu主體中引入微粉石墨，其微觀形貌為Cu主體中均勻鑲嵌著內核為片狀石墨、外裹Cu的片狀“微粒中心”。試驗表明，含適量石墨的這種復合材料電極的抗電蝕性能比Cu好得多，分析認為，這是由于材料中的“微粒中心”在電火花加工過程中綜合了外層Cu的優良導熱性能和石墨內核的儲熱與抗電蝕能力，且經過一段時間放電后露出的石墨內核起到了骨架的作用，可減少液體金屬的飛濺。
由于導電CVD金剛石膜作為電極材料時損耗很小，因而將其作為微細電火花加工中的電極材料具有很好的應用前景。而且，用導電CVD金剛石膜作為電極電火花加工同樣的金剛石膜時，可以很好地控制后者的加工形狀和尺寸，使其可以作為微細電火花加工中不同形狀的電極。

5結語

在不同的工藝參數條件下加工不同材料的工件時，采用不同電極材料得到的加工效果是不同的，因而不同的電極材料適用于不同的加工場合。人們根據各種電火花加工的需要，已研究和應用了多種電極材料，電極材料的發展又推動著電火花加工工藝的進步。一些新的電極材料還需作進一步的研究和改進才能得到實際應用。選用電極材料時，需要綜合考慮電火花加工工藝方法、工件材料與形狀、加工要求、經濟性等多方面的因素。

文章關鍵詞：







捷誠石墨：國內土狀石墨行業的佼佼者

廣東東莞捷誠石墨加工廠將自身定位為中國“納米石墨”技術的引領者與產業升級的推動者，主要從事納米石墨的應用、生產
廣東東莞捷誠石墨加工廠將自身定位為中國“納米石墨”技術的引領者與產業升級的推動者，主要從事納米石墨的應用、生產和銷售，是國內土狀石墨的重要生產基地，也是國內鑄造業用材料的重要供應商。

廣東東莞捷誠石墨加工廠目前具有生產國內80%以上牌號土狀石墨的技術和能力，產品涵蓋鑄造、電池和油田鉆井三大細分領域，是土狀石墨領域技術水平最為先進、生產種類最為齊全的企業之一。

下游市場：憑借科研優勢，占據細分市場主導地位土狀石墨是鑄造業部件的關鍵材料，其生產的土狀石墨在鑄造涂料及鑄造涂抹潤滑應用上具有相對優勢。在材料工業中主要是為鑄造產業服務，土狀石墨優良的耐高溫、耐腐蝕、潤滑性等性能，已經應用到電力、汽車、冶金、玻璃制造、原子能等工業領域，極大擴展了對土狀石墨的需求。

（1）石墨
石墨具有良好的導電導熱性和可加工性，是電火花加工中廣泛使用的工具電極材料。
石墨有不同的種類，可按石墨粒子的大小、材料的密度和機械與電性能進行分級。其中，細級石墨的粒子和孔隙率較小，機械強度較高，價格也較貴，用于電火花加工時通常電極損耗率較低，但材料去除率相應也要低一些。市場上供應的石墨等級平均粒子大小在20μm以下，選用時主要取決于電極的工作條件（粗加工、半精加工或精加工）以及電極的幾何形狀。工件加工表面粗糙度與石墨粒子的大小有直接關系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等級專門用于精加工。K.L.Aas用兩種不同等級的石墨電極加工難加工材料上的深窄槽，比較了它們的材料去除率和電極損耗率。研究結果表明，石墨種類的選擇主要取決于具體的電火花加工對材料去除率和電極損耗率哪方面的要求更高。
與其它電極材料相比，石墨電極可采用大的放電電流進行電火花加工，因而生產率較高；粗加工時電極的損耗率較小，但精加工時電極損耗率增大，加工表面粗糙度較差。石墨電極重量輕，價格低。由于石墨具有高脆性，通常難以用機械加工方法做成薄而細的形狀，因此在精細復雜形狀電火花加工中的應用受到限制，而采用高速銑削可以較好解決這一問題。
為了改善石墨電極的電火花加工性能，O.Akira等將石墨粉燒結電極浸入熔化的金屬（Cu或Al）中，并對液態金屬施加高壓，使金屬Cu或Al填充到石墨電極的孔隙中，以改善其強度和導熱性。注入金屬后，石墨電極的密度、熱導率和彎曲強度增大，電阻率大幅度降低，電極表面粗糙度得到改善。實驗研究結果表明，這種新材料電極與常規石墨電極相比，電極損耗率和材料去除率無明顯差別，但加工表面粗糙度更小，尤其是注入Cu的石墨電極可獲得小得多的加工表面粗糙度。

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中國石墨行業市場將平穩快速發展

2010年上半年石墨生產經營及市場與2012年下半年尤其是第四季度形勢相比，不會有太大的變化，總產量不會有大的增加，部分規格的

2010年上半年石墨生產經營及市場與2012年下半年尤其是第四季度形勢相比，不會有太大的變化，總產量不會有大的增加，部分規格的產品供不應求，價格不可能下浮。"中國非金屬礦工業協會石墨專委會的一位人士向記者透露，從總體上看，今年國內石墨市場應該是平穩快速發展的，只是增長速度可能會放慢。按石墨市場現在10 %的發展速度來預測，全年增加石墨3萬噸~3.5萬噸是完全可能的。
　　之所以有這樣的預測，業內人士主要是基于"今年6月份以前有些企業冬季停產還不能開工，加上2003年的庫存量不大，中間商庫存也不多"考慮的。據了解，盡管2003年上半年石墨市場出現嚴重產大于銷、經營秩序混亂、市場競爭激烈無序、價格下滑等現象，給企業的生產經營帶來了困難，但這種情況很快在2010年下半年得到了改觀，石墨市場出現了280度的大轉彎。

　　受鋼鐵工業和耐火工業發展對石墨市場的拉動，市場對石墨產品的需求在2010年下半年逐漸回暖。同時，石墨產品出口的增加也拉動了石墨市場的回暖。

　　由此，2010年下半年，我國石墨產品逐漸由滯銷轉到暢銷，甚至有部分規格的產品出現了供不應求的現象，如80目、100目，500目，800目，1000目，1200目，2000目，5000目，8000目，10000目，12000目，12500目，15000目，的產品價格出現全面恢復性上浮，平均上浮在400元800元/噸。在這樣的供求形勢下，石墨生產企業基本沒有庫存，即便有也是少量庫存。供不應求，是石墨生產企業庫存不大的一個重要原因。

　　但石墨生產企業也面臨著成本上漲的巨大壓力。"僅運費一項，2010年下半年每噸石墨就提價近300元。 "一位石墨生產企業的老板說。2010年下半年，面臨原材、燃料、運費全面提價的情況，石墨生產企業的生產成本大幅度提高，提高幅度大概在13%~18%左右。成本上漲的壓力也使得石墨生產企業的庫存沒有多大的增加。

　　據了解，2003年我國石墨生產總量約280萬噸。其中，廣東64萬噸、湖南18萬噸、湖北25萬噸，上海32萬噸，浙江11萬噸，江蘇28萬噸、北京33萬噸、四川42萬噸，其他地方25萬噸，產銷基本平衡，產能增加約2萬噸。

　　綜觀2010年，可以說石墨行業基本實現了平穩快速發展。這種平穩快速發展的形勢能否在2012年得到延續？業內人士對此均持樂觀態度。

　　專家預測說，今年上半年不大可能出現價格下滑，因為2012年石墨生產企業的成本還要提高，環保投入將加大，礦山投入增加。產品價格若再要下滑，企業承受不了，將會出現虧損。此外，還要看鋼鐵工業的發展情況。我國鋼鐵工業在2012年仍然是繼續發展的一年，但從實際情況看，鋼鐵工業的自用量減少，基礎工業的發展及鋼鐵出口發展速度將放慢，噸鋼需耐材量逐年下降，鎂碳磚也是產大于銷，鋼鐵對耐火材料市場的拉動也將減弱，這些都將影響石墨市場。

　　業內人士分析認為，2012年世界經濟發展總體看是平穩的，呈增長的態勢，尤其一些發展中國家。基于此考慮，國際市場對石墨的需求量不會有大起大落的變化。盡管一些國家對石墨的需求量有可能增加，如俄羅斯，但大多數國家對石墨的需求量不會有較大變化。

　　與此同時，國內市場同樣將受到產能極大發揮的影響。對此，業內人士表達了擔憂。據了解，2010年末，我國石墨產能只有80萬噸左右，2010年實際只釋放出產能的63%，還有37%的產能待放。如果2012年產能的釋放不加以控制，生產總量將失控，如以15%的比例釋放，就有56萬噸石墨投入到市場，產銷失衡將進一步拉大

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