陳慶才，劉志東，韓云曉，邱明波，潘 浩，穆宏鵬

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

電火花加工是基于工具和工件之間脈沖性火花放電時(shí)的電腐蝕來蝕除多余金屬的加工方法，其中工作介質(zhì)主要起到介電、極間冷卻、消電離、排屑等作用。 傳統(tǒng)的加工介質(zhì)是油基工作液，針對(duì)其加工效率低、安全性不足等問題，國內(nèi)外研究人員對(duì)電火花加工的工作介質(zhì)進(jìn)行了各種嘗試，得到了不同的研究成果。

Kunieda 等[1]提出了干式電火花加工技術(shù)；李立青等[2]進(jìn)行了氣中放電加工的機(jī)理研究；Tanimura等[3]提出了霧中電火花加工；顧琳等[4]從電火花腐蝕微觀過程的四個(gè)階段分析了氣霧介質(zhì)下的電火花加工機(jī)理。 Kao 等[5]針對(duì)電火花放電工藝進(jìn)行研究，得出結(jié)論：在脈沖能量較小的條件下，準(zhǔn)干式電火花比濕式電火花去除率更高。 Jia 等[6]研究了介質(zhì)對(duì)干式和準(zhǔn)干式電火花銑削的影響，得出結(jié)論：氧氣介質(zhì)能提高加工效率，且氣霧介質(zhì)的液相增強(qiáng)了極間電場(chǎng)，導(dǎo)致放電間隙增大。 傳統(tǒng)電火花蝕除材料的能量主要來源于脈沖電源， 因此受限能量輸出，故劉志東[7]提出放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工，向加工區(qū)域通入“水基工作液-氧氣”霧化介質(zhì)，在火花放電誘導(dǎo)作用下，活化金屬發(fā)生燃燒反應(yīng)，利用反應(yīng)放出的熱能蝕除材料；然而，水-氧氣介質(zhì)產(chǎn)生的銹蝕問題卻無法避免， 尤其是在長(zhǎng)時(shí)間加工情況下，體系中的銹蝕更是不容忽視。

鋼鐵的銹蝕問題一直都是防腐蝕研究的重點(diǎn)。曹路[8]從溫度、溶解氧濃度、pH 值等方面研究碳鋼在弱堿性環(huán)境中的腐蝕行為。 李黨國等[9]利用XPS技術(shù)分析22Cr 雙相不銹鋼在NaHCO3/Na2CO3溶液中形成的鈍化膜特性，發(fā)現(xiàn)鈍化膜呈現(xiàn)內(nèi)外兩層結(jié)構(gòu)，外層膜主要為Fe2O3，而內(nèi)層膜由Cr2O3及少量FeO 組成。 楊仲年等[10]采用電化學(xué)阻抗譜研究耐候鋼在NaCl 中性溶液中的腐蝕行為， 建立腐蝕等效模型，將腐蝕過程分為點(diǎn)蝕誘導(dǎo)期、點(diǎn)蝕發(fā)展期、腐蝕中期和腐蝕后期這四個(gè)階段。 Stott 等[11]研究了鐵鉻二元合金在氧化、 氯化雙重條件下的高溫腐蝕，發(fā)現(xiàn)金屬表面形成厚而多層的鱗狀氧化物FeCr2O4及Fe2O3，但合金的質(zhì)量損失比相同環(huán)境下的純鐵更大，向合金中添加1%的Y 元素后，腐蝕速率降低，可認(rèn)為添加Y 元素后有助于建立富Cr2O3保護(hù)層。

本文從緩蝕角度出發(fā)，通過添加一種緩蝕劑來達(dá)到緩解工件表面銹蝕的目的。 尿素作為氣相緩蝕劑， 在高溫條件下能夠分解出具有緩蝕作用的氣體，運(yùn)用在霧化燒蝕加工中比較合適。 故本文研究尿素對(duì)霧化燒蝕加工特性的影響，主要從材料去除率、電極損耗以及防銹效果等方面進(jìn)行考慮。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原理及裝置

圖1 是霧化燒蝕加工試驗(yàn)系統(tǒng)，工件接電源正極，工作液和高壓氧氣分別匯入霧化噴嘴，在噴嘴出口處進(jìn)行混合，形成均勻的氣霧工作介質(zhì)；霧化介質(zhì)通過三爪卡盤固定的棒狀多孔電極進(jìn)入工件與電極之間的加工區(qū)域。 為了確保氣密性，霧化噴嘴與電極連接處添加開孔橡膠塞。 需要注意的是，水罐的上端接高壓氧氣，從而使液體有足夠高的壓力與氧氣混合。

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及條件

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)

本試驗(yàn)采用尺寸為 12 mm×12 mm×15 mm 的Cr12 模具鋼作為工件，工具電極為多孔紫銅管。 首先進(jìn)行水霧化介質(zhì)和尿素溶液霧化介質(zhì)的單脈沖試驗(yàn)，觀察放電坑；再對(duì)6 種不同濃度的溶液進(jìn)行深度為8 mm 的型孔加工， 每次試驗(yàn)固定霧化介質(zhì)流量20 mL/min，對(duì)材料去除率、電極損耗及銹蝕情況進(jìn)行分析，挑選出綜合效果最佳的濃度；最后進(jìn)行防銹蝕比對(duì)試驗(yàn)，對(duì)比水霧化介質(zhì)和最佳濃度尿素溶液霧化介質(zhì)的加工效果，加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

2 尿素溶液燒蝕加工機(jī)理研究

2.1 不同介質(zhì)下的蝕除坑

圖2 是單脈沖試驗(yàn)原理圖，設(shè)置電參數(shù)為開路電壓150 V，在放電回路串聯(lián)5 Ω 電阻，使放電峰值電流約為20 A，脈寬設(shè)置為480 μs，工作介質(zhì)分別采用水霧化介質(zhì)和尿素溶液霧化介質(zhì)，每種介質(zhì)進(jìn)行兩組試驗(yàn)。

圖2 單脈沖裝置原理圖

圖3 是在試驗(yàn)過程中不同工作介質(zhì)下的單脈沖放電坑圖，能明顯觀察到水霧化介質(zhì)加工件表面有明顯的銹蝕點(diǎn)（圖3a 標(biāo)注處），而尿素溶液霧化介質(zhì)加工件表面觀察不到銹蝕點(diǎn)痕跡，這說明尿素溶液有一定的防銹作用，同時(shí)發(fā)現(xiàn)水霧化介質(zhì)加工出的坑直徑比尿素溶液霧化介質(zhì)大；但從圖4 所示采用激光共焦顯微鏡測(cè)試的蝕除坑深度可看出，尿素溶液霧化介質(zhì)加工出的蝕除坑深度比水介質(zhì)的更大。

圖3 不同工作介質(zhì)下的單脈沖放電坑

圖4 不同工作介質(zhì)下蝕除坑深度

2.2 尿素在極間的作用分析

為了探究工件在尿素溶液中的加工規(guī)律，從以下兩點(diǎn)分析其對(duì)極間狀態(tài)的影響：

（1）壓縮放電通道。王祥志等[12]根據(jù)放電波形將燒蝕加工微觀過程分為4 個(gè)階段：放電活化、快速氧化、氧化受阻和氧化擴(kuò)展。 表2 是在水中添加不同含量尿素對(duì)應(yīng)的溶液黏度[13]，圖5 是兩種工作介質(zhì)的放電通道示意，可見尿素的存在對(duì)放電通道產(chǎn)生限制作用，使能量密度更高，蝕除的坑直徑小而深度大，且增加了工件與氧氣的接觸面積，氧化反應(yīng)更加劇烈； 而水介質(zhì)的放電通道比尿素溶液大，能量密度更小，能量更加分散，通道內(nèi)部的工件材料雖被加熱但未能達(dá)到與氧氣反應(yīng)的溫度，在單次放電中去除的材料更少，能量利用率與氧氣利用率較低。

表2 不同濃度下溶液的動(dòng)力黏度

圖5 兩種工作介質(zhì)的放電通道示意圖

圖6 是不同介質(zhì)加工件的表面能譜圖，從鐵和氧的含量差異可知，水霧化介質(zhì)加工表面鐵的氧化物含量比例要高于尿素溶液霧化介質(zhì)，可以推斷當(dāng)去除相同質(zhì)量的工件材料時(shí)，尿素溶液霧化介質(zhì)以氣化方式去除材料量占總?cè)コ康谋壤人橘|(zhì)更大。 尿素能夠壓縮放電通道，提高通道的能量密度，從而產(chǎn)生更大的爆炸力，金屬更多地以氣化方式被蝕除，這解釋了工件表面元素含量的差異。

圖6 兩種介質(zhì)加工表面EDS 圖

（2）產(chǎn)生高壓氣體，更有利于排屑。 周英貴等[14]對(duì)尿素溶液霧化熱分解特性建立了模型并做了試驗(yàn)驗(yàn)證，得出結(jié)論：在375~415 K 溫度區(qū)間，主要以水分蒸發(fā)為主；415~1100 K 溫度區(qū)間， 尿素快速分解，并在735 K 后分解率接近100%；溫度繼續(xù)增至1400 K 時(shí)， 未發(fā)現(xiàn)熱解產(chǎn)物 NH3和 HNCO， 因?yàn)镹H3被氧氣氧化成NO。 本文采用霧化燒蝕加工，尿素溶液與高壓氧氣經(jīng)霧化噴嘴噴向加工區(qū)，與水相比，尿素溶液由于放電處的高溫作用，分解得到氣體，從而在電極與工件型腔形成的空間里產(chǎn)生更高的壓力（圖7），能夠更有力地將蝕除顆粒排出加工區(qū)域。

圖7 加工過程中極間產(chǎn)生高壓氣體

2.3 尿素溶液對(duì)防銹蝕的影響

燒蝕加工過程中，當(dāng)端部放電完畢之后，電極會(huì)繼續(xù)往Z 軸負(fù)方向運(yùn)動(dòng)，由于電解加工間隙比電火花放電間隙大，故電極側(cè)壁與工件型孔側(cè)壁之間必然會(huì)繼續(xù)發(fā)生電解反應(yīng)。 與電化學(xué)腐蝕的極性相同，燒蝕加工采用正極性加工，工件接正極、電極接負(fù)極， 因此脈沖在空載及放電擊穿之前的時(shí)間段內(nèi)，電極與工件都可能發(fā)生微電解。

一般認(rèn)為鋼的表面形成的腐蝕銹層分為兩層，外層疏松多孔、保護(hù)性差，內(nèi)層致密、與基體結(jié)合牢固，起主要的保護(hù)作用。 圖8 是水介質(zhì)中的工件氧化示意圖，在水中，工件中的鐵溶解生成Fe2+，水中微量的OH-遷移到陽極附近與Fe2+結(jié)合生成氫氧化物，形成疏松多孔的外層銹層，水中的侵蝕性粒子如水分子、氧分子、氯離子仍可以穿透外層到達(dá)基體表面，隨著加工進(jìn)行，鐵的腐蝕產(chǎn)物逐漸增多并沉積在基體表面， 工件中的鉻元素作用愈加明顯，在外銹層與基體之間形成較為致密的氧化膜，對(duì)基體有一定的保護(hù)作用；然而，溶液中鈍化膜的形成和溶解是同時(shí)進(jìn)行的，中性溶液中的H+會(huì)破壞鈍化膜，造成鈍化膜局部溶解，工件表面會(huì)出現(xiàn)局部的銹蝕[10]。

圖8 電解池條件下的吸氧腐蝕

在水中添加尿素后，由于放電加工和燒蝕存在氧化燃燒釋放的熱量，尿素極易分解出氨氣，氨氣易溶于水，使得極間的介質(zhì)呈堿性，在堿性條件下，工件基體表面會(huì)形成雙層結(jié)構(gòu)的鈍化膜，又由于溶液呈堿性，金屬基體表面的鈍化膜的溶解速率遠(yuǎn)低于水介質(zhì)中鈍化膜的溶解速率，使表面銹蝕有所減緩[9]。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同工作介質(zhì)的對(duì)比

對(duì)比水與質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的尿素溶液的加工特效，設(shè)定加工條件脈寬 150 μs、脈間 100 μs、平均電流10 A、氧氣壓力0.3 MPa，得到兩種工作介質(zhì)燒蝕加工的材料去除率和電極體積相對(duì)損耗結(jié)果見圖9。 可見，水霧化介質(zhì)的材料去除率為20 mm3/min、電極體積相對(duì)損耗為1.54%， 而質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的尿素溶液霧化介質(zhì)材料去除率為27.12 mm3/min，電極體積相對(duì)損耗為2.94%，表明在相同電參數(shù)下，尿素溶液對(duì)工件的去除率有明顯的提升效果，但同時(shí)也會(huì)增加電極損耗。

圖9 兩種介質(zhì)對(duì)材料去除率和電極損耗的影響

圖10 是不同介質(zhì)下工件孔底部表面的SEM圖， 可見尿素溶液霧化介質(zhì)加工出的表面更加平整，氣孔和裂紋比較少。 這是由于在電火花加工中，金屬蝕除方式包括熔化去除和氣化去除，使用水霧化介質(zhì)時(shí)材料熔化量占總?cè)コ勘壤饶蛩厝芤红F化介質(zhì)更大，而在氣化蝕除占比方面則是尿素溶液霧化介質(zhì)比水霧化介質(zhì)更高，故用水介質(zhì)時(shí)傳遞到工件表面的熱量更多，更容易產(chǎn)生微裂紋[12]。由此可得出結(jié)論，尿素作為一種添加劑加入到燒蝕加工介質(zhì)是可行的，也印證了上述“產(chǎn)生高壓氣體”的解釋具有合理性。

圖10 兩種介質(zhì)加工表面的SEM 圖

3.2 尿素溶液濃度對(duì)加工效率的影響

圖11 是不同濃度尿素溶液霧化介質(zhì)對(duì)材料去除率和電極體積相對(duì)損耗的影響。 可見，水霧化介質(zhì)的材料去除率為20 mm3/min，隨著水中尿素濃度提高，材料去除率呈上升趨勢(shì)，這是由于尿素壓縮放電通道和產(chǎn)生高壓氣體的作用，能有效提高工件的加工效率；同樣的，電極相對(duì)損耗也隨著尿素濃度的提高而增加， 這是由于溶液中尿素濃度提高，工作液壓縮放電通道，電極端能量密度增加，銅電極也更易被蝕除，但銅的導(dǎo)熱性能優(yōu)于鐵，且管狀銅電極中持續(xù)通氧而加速了電極的冷卻，故隨著溶液濃度的增加，電極絕對(duì)損耗值的增量比被蝕除工件體積的增量小一倍。 綜合考慮尿素溶液的材料去除率、電極相對(duì)損耗及工件加工表面與非加工表面的銹蝕情況， 選擇質(zhì)量分?jǐn)?shù)6%的尿素溶液去除效果最佳。

圖11 不同濃度尿素溶液對(duì)蝕除率和電極損耗的影響

圖12 是兩種介質(zhì)加工過程中的放電波形圖，可見水霧化介質(zhì)的波形中空載波形數(shù)量多于尿素溶液霧化介質(zhì)，從而導(dǎo)致水霧化介質(zhì)的放電脈沖能量較低。 在燒蝕加工中，介質(zhì)被擊穿后形成放電通道，脈沖能量是金屬引燃的前提，尿素溶液霧化介質(zhì)的脈沖放電能量更高，被活化的金屬更多，與氧氣發(fā)生反應(yīng)的量也就越多， 從而使其去除效率更高。

圖12 兩種介質(zhì)的放電波形圖

3.3 添加尿素的防銹效果

選取水和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6%的尿素溶液， 對(duì)比研究介質(zhì)的防銹效果。 依據(jù)JB/T 7901—2001《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》， 將加工完的工件置于各自的加工介質(zhì)中浸泡24 h，然后進(jìn)行切割制樣，得到加工孔的側(cè)壁表面SEM 圖譜見圖13。 可見， 兩工件表面均可清晰地看到燒蝕加工特有形貌，金屬被放電能量及氧化燃燒的能量熔化后又冷卻凝固，鋪展在原有的金屬基體上，形成類似沙灘一樣的表面。

圖13 工件側(cè)壁SEM 圖

不同的是，水霧化介質(zhì)處理后的工件大部分表面都被一層小顆粒及結(jié)成塊狀的物體覆蓋，結(jié)合圖14 的高倍率光學(xué)顯微鏡圖觀察，這些塊狀物體有很多裂紋，且較松散，可判定這些物質(zhì)是鐵銹；而尿素溶液霧化介質(zhì)加工后的工件表面基本上為燒蝕狀，只有較少的區(qū)域出現(xiàn)鐵銹，這是由于加工過程中尿素分解出的氨氣使極間液體呈堿性，堿性溶液中的金屬基體表面鈍化膜溶解緩慢， 具有很好的保護(hù)性。 通過以上兩種工作介質(zhì)的對(duì)比可得出結(jié)論：在較長(zhǎng)時(shí)間的燒蝕加工過程中，使用添加尿素的工作介質(zhì)可有效減緩銹蝕問題。

圖14 工件側(cè)壁光學(xué)顯微鏡圖

4 結(jié)論

針對(duì)水-氧氣介質(zhì)產(chǎn)生的銹蝕問題， 分別以水霧化介質(zhì)、尿素溶液霧化介質(zhì)為工作介質(zhì)，對(duì)Cr12模具鋼進(jìn)行燒蝕加工并研究表面銹蝕問題，得到以下結(jié)論：

（1）采用氧氣和尿素溶液的混合霧化介質(zhì)進(jìn)行放電燒蝕加工， 能緩解加工件表面產(chǎn)生銹蝕的問題。

（2）尿素在高溫下受熱分解出氨氣，溶于介質(zhì)中使其呈堿性， 有助于保護(hù)工件表面的鈍化膜，減緩其溶解速度，從而增強(qiáng)抗腐蝕能力。

（3）尿素溶液的黏度大于水，能壓縮放電通道，提高通道內(nèi)能量密度，同時(shí)尿素受熱分解后，在放電通道內(nèi)產(chǎn)生氣體，有利于極間蝕除產(chǎn)物的排出。

（4）在水中添加適當(dāng)比例的尿素可以提高材料去除率，雖然電極損耗有所增加，但工件表面質(zhì)量有所提高，表面微裂紋、氣孔及銹蝕等缺陷明顯得以減少。