| | | | TiB２/Cu复合材料用于电火花加工电极的可行性探讨 | | | | | NEWS.C-CNC.COM 2006-9-30 来源： 阅读：次  | | <% if pyg2("img")<>"" then%> | <%end if%> 【摘 要】从分析电火花加工对电极材料的基本要求入手，结合TiB２/Cu复合材料在目前制备工艺条件下所获得的电学、力学性能等特性，采用对比研究的方法，探讨将其作为电火花加工电极材料的可行性。
【关键词】TiB２/Cu复合材料；电火花加工；电极材料
电火花加工技术经历了半个多世纪的发展，现已成为现代制造技术中不可缺少的加工手段之一。近些年该技术的一系列发展，其实质仍离不开高精度、高效率、低损耗这个传统目标。作为电火花加工环节中的最基本要素，电极材料的性能是改善加工性能（如加工速度、加工精度、工件表面质量等方面）的重要因素。随着材料科学的发展，人们在传统电极材料的基础上，尝试着不断地探索和大胆的创新，随着新材料的不断发展，电火花加工电极材料仍值得进一步研究。
本文从传统电火花加工电极材料的基本性能要求入手，通过对比研究提出以TiB２/Cu复合材料作为电火花加工电极材料的观点。
1 电火花加工常用的电极材料概述
1.1 常用电极材料的应用特性
在电火花加工过程中，电极材料的作用是输送加工脉冲，并以自身最小的损耗去蚀除工件。常用的电极材料有紫铜、石墨、铜钨合金、银钨合金、钢、黄铜、铸铁等。
(1)紫铜
紫铜来源广泛，具有良好的导电性，在较困难的条件下也能稳定加工，不容易产生电弧，加工损耗小；可获得较高的精度，采用精细加工能达到优于Ra1.25μm的表面粗糙度。加工过程可保持尖锐的棱角、细致的形状。不足之处：机械加工性能不如石墨，磨削困难；机械强度低，不利于加工中的装夹、校正和维持较长时间的稳定加工；比重大，即增加了加工进给系统的负担，提高了对系统的要求，也不利于电极的安装、校正。
(2)石墨
与紫铜电极相比的优点是：电极损耗小，粗加工时为紫铜的1/5~1/3；加工速度快，约为紫铜的1.5~3倍；机械加工性能好，切削阻抗为紫铜的1/4；加工效率为紫铜的2倍；比重轻，为紫铜的1/5，可用于大型电极；耐高温，热膨胀系数低，约为紫铜的1/4。不足之处：有脆性（在工作液中浸泡可减少脆性），易损坏；容易产生电弧烧伤现象；精加工损耗大，表面粗糙度只能达到Ra2.5μm；不易做成薄片和尖棱[4]。
(3)铜钨和银钨合金
铜钨电极因其有铜的高热导率、低损耗率、低热膨胀性和钨的高熔点，广泛应用于模具钢和碳化钨工件以及精密加工。铜钨和银钨合金的被切削性相当，加工稳定性好，电极损耗小，但价格贵，大约分别是铜的40倍、100倍[5]。
(4)黄铜
黄铜电极损耗大，加工速度也比紫铜慢，但放电时短路少，加工稳定。目前在电火花成形加工中一般不使用黄铜电极，但低速走丝线切割加工中仍使用[6]。
(5)钢
钢作为电极材料，机械加工性好，但加工稳定性较差，在钢冲模等加工中，加工速度为紫铜的1/3~1/2，电极损耗比为15％~20％，不能实现低损耗[7]。
1.2 电极材料的基本要求
归纳以上常见电极材料的应用特性，电火花加工电极材料应具备以下基本性能要求：
(1) 高熔点，工具电极材料的熔点越高，电极损耗相对越小。
(2) 良好的导热性，可使放电产生的热量快速扩散，使加工介质的绝缘性能快速恢复，抑制拉弧烧伤现象的产生。
(3) 良好的导电性，易于产生电离，满足放电基本条件。
(4) 较低的热膨胀系数，在电火花加工过程中，电极尺寸能保持稳定，确保加工精度。
(5) 良好的力学性能，易于加工和具有较好的变形抗力。
2 TiB2/Cu复合材料电学、力学性能与铜基复合材料的对比分析
随着材料科学的发展，高性能新材料的出现，电火花加工对象的范围也随之扩大，迫切需要与其相适应的电极材料。
2.1 铜基复合材料[7-8]
铜基复合材料具有高强度、高导电、导热性和较好的耐磨性及高温稳定性。因此，在航空航天、电力电器、机械制造等行业得到了较多的应用，已成为研究热点之一。现有的铜基复合材料可分为显微复合铜合金、颗粒增强铜基复合材料及纤维增强铜基复合材料。其中颗粒增强铜基复合材料是将陶瓷颗粒增强相外加或自生进入纯铜基体或铜合金中得到兼有纯铜优点（韧性和塑性、导电性、导热性）和增强颗粒优点（高硬度和高模量）的复合材料，第二相颗粒阻碍了位错运动，从而提高了材料的强度，在高温下能保持较高的强度。常见的增强颗粒包括氧化物、碳化物、硼化物、氮化物等，具有代表性的颗粒增强铜基复合材料有A12O3/Cu 复合材料、TiB2/Cu复合材料、SiCp/Cu复合材料。
2.2 TiB2/Cu复合材料
作为增强相，TiB2颗粒本身具有熔点高(熔点为3225℃)，刚度、硬度较高，耐磨性好（硬度为30Gpa，弯曲强度为750MPa），热膨胀系数较低（约为8.2×10-6K-1），良好的导电导热（电阻率为10－５Ω·cm）[9]等特性，因而其强化效果显著，同其它陶瓷增强材料相比，它具有使金属的电导率、热导率下降量较小的特点。20世纪80年代末美国在复合强化高导电铜材的研究中，采用新颖的混合合金工艺，制得了TiB２相的体积分数为5％的弥散强化复合铜合金，代号为MXT5，其某些性能指标超过GlidcopAI-60（美国SCM公司推出的氧化铝弥散强化铜合金，A1２O３的质量分数为1.2％，导电率80％IACS，强度620MPa，抗高温软化温度在870℃以上）。国内西安交通大学［10］、中南大学［11］、浙江大学［12］、中南工业大学［13］等大学分别进行了有关TiB２/Cu复合材料制备研究，其所获得的电学性能和力学性能指标与电火花加工常用电极材料紫铜、石墨性能指标对比见表１。
≥85
–
≈95
130
90.5
154
161.8
紫 铜[14]
石 墨[14]
ω(TiB2)=0.5％的TiB２/Cu(MA)[10]
ω(TiB２)＝2.0％的TiB２／Cu(MA)[10]
Ф(TiB２)＝3％的TiB２/Cu（常规P/M）[11
Ф(TiB2)=3％的TiB2/Cu(MA)[11]
Ф(TiB2)=5％的TiB2/Cu(MA)[11
表１电极材料及TiB２/Cu复合材料的电学性能和力学性能
16.7
1.1～2.9
–
–
–
–
–
0.0167
0.15～10
–
–
0.0180
0.0298
0.0296
329
–
–
–
387
980
940
103
–
≈87
≈78
96
58
58
30
–
–
–
33.8
5.7
5.6
≥206
2～5
≈420
≈550
245.4
429.6
401.9
材 料 HV/MPa бb/MPa δ/％ ρ/(Ω·μm) 电导率/％(IACS) 软化温度/℃ 热膨胀系数/（10-6K-1 ）
注：1.P/M:Powder Metallurgy 粉末冶金法。
2.MA:Mechanical alloying 机械合金化。
3.IACS(International Anneal Copper Standard)导电率百分值为国际退火铜规定的电阻率对试样电阻率之比乘以100％。20℃退火铜的电阻率是0.017 241×10-6Ω·m，把此时的电导率（IACS）定为100％。
4.石墨的抗折强度≥40 MPa，抗压强度≥110MPa。
根据上表数据显示，TiB２/Cu复合材料具有良好的导电性、耐高温性及较高的力学性能，与电火花加工的电极材料基本要求相符合，其中有的性能甚至超过了传统电极材料的性能，因此将其作为电火花加工电极材料应用是完全可能的，可弥补电火花加工电极材料的某些不足。
３ 结束语
根据上述文献资料及讨论，可得出以下结论：
(1) 通过材料的性能对比，TiB２/Cu复合材料作为电火花加工电极材料具有可行性。
(2) 采用TiB２／Cu复合材料作为电火花加工电极材料时，需综合考虑其电学性能和力学性能及TiB２的含量。
对于TiB２/Cu复合材料在电火花加工中的具体应用及其相关的理论问题，还有待于进一步实验探讨。 | | | | | |
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