1 引言
　　在電火花加工中，工具電極是一項(xiàng)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(zhì)量等），因此，正確選擇電極材料對(duì)于電火花加工至關(guān)重要。
　　電火花加工用工具電極材料應(yīng)滿(mǎn)足高熔點(diǎn)、低熱脹系數(shù)、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能和力學(xué)性能等基本要求，從而在使用過(guò)程中具有較低的損耗率和抵抗變形的能力。電極具有微細(xì)結(jié)晶的組織結(jié)構(gòu)對(duì)于降低電極損耗也比較有利，一般認(rèn)為減小晶粒尺寸可降低電極損耗率。此外，工具電極材料應(yīng)使電火花加工過(guò)程穩(wěn)定、生產(chǎn)率高、工件表面質(zhì)量好，且電極材料本身應(yīng)易于加工、來(lái)源豐富及價(jià)格低廉。
　　由于電火花加工的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展，對(duì)與之相適應(yīng)的電極材料（包括相應(yīng)的電極制備方法）也不斷提出新的要求。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，人們對(duì)電火花加工工具電極材料不斷進(jìn)行著探索和創(chuàng)新，目前在研究和生產(chǎn)中已經(jīng)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(fù)合材料、聚合物復(fù)合材料和金剛石等幾大類(lèi)。
　　2 普通電火花加工用工具電極材料
　?。?）石墨
　　石墨具有良好的導(dǎo)電導(dǎo)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(lèi)，可按石墨粒子的大小、材料的密度和機(jī)械與電性能進(jìn)行分級(jí)。其中，細(xì)級(jí)石墨的粒子和孔隙率較小，機(jī)械強(qiáng)度較高，價(jià)格也較貴，用于電火花加工時(shí)通常電極損耗率較低，但材料去除率相應(yīng)也要低一些。市場(chǎng)上供應(yīng)的石墨等級(jí)平均粒子大小在20μm以下，選用時(shí)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(guān)系，通常粒子平均尺寸在1μm以下的石墨等級(jí)專(zhuān)門(mén)用于精加工。K. L. Aas用兩種不同等級(jí)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(jié)果表明，石墨種類(lèi)的選擇主要取決于具體的電火花加工對(duì)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(jìn)行電火花加工，因而生產(chǎn)率較高；粗加工時(shí)電極的損耗率較小，但精加工時(shí)電極損耗率增大，加工表面粗糙度較差。石墨電極重量輕，價(jià)格低。由于石墨具有高脆性，通常難以用機(jī)械加工方法做成薄而細(xì)的形狀，因此在精細(xì)復(fù)雜形狀電火花加工中的應(yīng)用受到限制，而采用高速銑削可以較好解決這一問(wèn)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(jié)電極浸入熔化的金屬（Cu或Al）中，并對(duì)液態(tài)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(qiáng)度和導(dǎo)熱性。注入金屬后，石墨電極的密度、熱導(dǎo)率和彎曲強(qiáng)度增大，電阻率大幅度降低，電極表面粗糙度得到改善。實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，這種新材料電極與常規(guī)石墨電極相比，電極損耗率和材料去除率無(wú)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。
　?。?）Cu、Cu基合金及Cu基復(fù)合材料
　　純Cu（電解銅，俗稱(chēng)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(shí)，常用電解銅作為工具電極材料。
　　Cu的熔點(diǎn)較低，電極損耗率較大，因此需要引入另一種高熔點(diǎn)材料來(lái)降低電極損耗率。Cu－W合金兼有Cu的高導(dǎo)熱性和W的高熔點(diǎn)、低熱脹系數(shù)和耐電火花侵蝕能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(jià)格比普通的Cu或石墨電極高，因此目前在生產(chǎn)中應(yīng)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(jié)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(shí)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(zhì)合金，結(jié)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(zhì)合金的理想電極材料。
TiC是一種高硬度耐火材料，熔點(diǎn)高，耐熱沖擊和磨損性能好。L. Li等研究了燒結(jié)Cu/TiC、Cu－W/TiC電極中TiC對(duì)工具電極電火花加工性能的影響，結(jié)果表明，含5％～45％TiC的Cu/TiC電極損耗率均低于常規(guī)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(shù)電火花加工表面的粗糙度優(yōu)于Cu－W電極加工表面，因而可用于精加工。對(duì)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(dǎo)電導(dǎo)熱性和高熔點(diǎn)，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(jìn)行了比較。結(jié)果表明，TiSi/Cu電極損耗嚴(yán)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(jié)合力較差，ZrB2的含量和電極制作工藝參數(shù)會(huì)影響這種電極的電火花加工性能。
　　TiB2顆粒具有熔點(diǎn)高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性良好、熱脹系數(shù)低等特性，TiB2/Cu復(fù)合材料具有良好的導(dǎo)電性、耐高溫性和力學(xué)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(fù)合材料電極進(jìn)行了電火花加工試驗(yàn)，分析了復(fù)合材料的電火花加工損耗機(jī)理，結(jié)果表明，TiB2/Cu電極的電火花加工特性與其它Cu基復(fù)合材料電極類(lèi)似，TiB2體積分?jǐn)?shù)為5％時(shí)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(fù)合材料電極。K. M. Shu等用Cu/SiCp復(fù)合電極進(jìn)行電火花磨削，這種含有一定量SiCp的復(fù)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(dǎo)熱性好并具有較高的耐熱沖擊性能，表現(xiàn)出電極損耗率低的特點(diǎn)。含有2％SiCp的Cu/SiCp復(fù)合材料電極的電火花磨削效果最優(yōu)。
　　采用電鑄方法制備電極時(shí)，由于電鑄Cu的工藝較為成熟，因此對(duì)電鑄Cu（包括Cu基復(fù)合材料）電極的研究較多。電鑄獲得的Cu或Cu基復(fù)合材料組織致密，可達(dá)到較小的晶粒尺寸。研究表明，晶粒細(xì)小、組織致密的電極表面由于火花放電時(shí)材料熔化拋出而形成的凹坑較小，可使電極損耗率降低。
　?。?）聚合物復(fù)合材料
　　A. Curodeau等采用一種導(dǎo)電熱塑性聚合物復(fù)合材料作為電極，以空氣或水作為工作介質(zhì)，進(jìn)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(tài)碳材料（如細(xì)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(fù)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(fù)合材料電極成本較低，可模壓成復(fù)雜幾何形狀，制作速度比銑削加工快得多；同時(shí)其密度較低、電阻率較高，因而電極損耗率較高，不過(guò)電極在使用過(guò)程中可通過(guò)重新模壓而加以修整。
　　該復(fù)合材料的組分仍處于研究開(kāi)發(fā)階段，好的可塑性電極應(yīng)有低電阻率、高熱導(dǎo)率、低熱脹系數(shù)以及良好的可成形性和在水中的尺寸穩(wěn)定性，并能耐熱循環(huán)。
　?。?）金剛石
　　K. Suzuki等研究了用導(dǎo)電的CVD金剛石厚膜（0.5mm）作為電極材料進(jìn)行電火花加工。這種CVD金剛石在CVD過(guò)程中通過(guò)摻雜硼而具有導(dǎo)電性，其電阻小、導(dǎo)熱系數(shù)高，對(duì)電火花加工時(shí)油類(lèi)工作介質(zhì)中析出的碳有很強(qiáng)的吸附能力。電火花加工試驗(yàn)表明，在一定的加工條件下，CVD金剛石電極可達(dá)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(wú)法采用Cu或石墨電極的高電流密度下進(jìn)行加工。但是，導(dǎo)電CVD金剛石存在成本高、尺寸受限制等問(wèn)題，因此K. Suzuki等又采用了聚晶金剛石（PCD）作為電極材料進(jìn)行電火花加工。所用PCD材料是用微米級(jí)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(jié)劑燒結(jié)而成的，其導(dǎo)熱性接近導(dǎo)電CVD金剛石。采用不同粒度的金剛石可得到不同等級(jí)的PCD材料，其導(dǎo)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?yàn)榱恪ｋS著熱導(dǎo)率的增加，不同等級(jí)的PCD材料電極在電火花加工時(shí)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(dǎo)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(shí)電極發(fā)生損耗的特點(diǎn)，使電極材料轉(zhuǎn)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(lái)的碳微粒與迅速損耗而脫落的電極材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成碳化物堆積在工件表面上。要實(shí)現(xiàn)這種形式的電火花表面改性，工具電極應(yīng)選用熱導(dǎo)率低的材料，使其能產(chǎn)生較大損耗，同時(shí)電極材料應(yīng)比較容易形成硬質(zhì)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(jié)體或燒結(jié)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(jié)合劑（如WC＋Co、WC＋Fe、WC＋TiC＋Co、TiC＋Co、VC＋Co）等。使用這樣的電極進(jìn)行電火花加工，可在加工表面形成一層或多層具有不同機(jī)械性能的涂層。選用粉末材料制備電極時(shí)，粉末的粒度對(duì)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(yù)燒結(jié)過(guò)的WC/6%Co電極加工工具鋼進(jìn)行表面合金化，電極中的元素（特別是W）與碳?xì)浠衔锕ぷ鹘橘|(zhì)中的碳一起以梯度形式轉(zhuǎn)移到工件表層中。H. C. Tsai等采用含樹(shù)脂的Cu粉與Cr粉經(jīng)模壓制成Cu－Cr復(fù)合電極，在電火花加工時(shí)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(shí)的材料去除率降低，但加工表面耐蝕性增強(qiáng)。
　　此外，方宇等用TiC＋Co半燒結(jié)電極對(duì)普通碳素鋼工件進(jìn)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(jié)劑得到的壓結(jié)體電極對(duì)LC4鋁合金工件進(jìn)行了電火花表面改性。連峰直接利用YT15硬質(zhì)合金材料作為電極對(duì)45鋼進(jìn)行了電火花加工，正極性加工時(shí)工件表面可得到顯微硬度大大高于基體的白亮層。
　　4 微細(xì)電火花加工用電極材料
　　在微細(xì)電火花加工中，使用微細(xì)電極后通常會(huì)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(dá)到高精度加工的目標(biāo)。此時(shí)可選擇合適的電火花加工參數(shù)，以減小單位面積的放電能量，但這樣會(huì)延長(zhǎng)加工時(shí)間；另外可使用低損耗的電極材料。微細(xì)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(xì)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(xì)電火花加工電極的耐損耗性時(shí)，采用的電極材料有Ag、Al、Cu、Fe、Mo、Ni、Pt、Ti、Ta和W。結(jié)果表明，沸點(diǎn)、熔點(diǎn)和熱導(dǎo)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(shí)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(fù)合材料電極進(jìn)行微細(xì)電火花加工，研究了電極材料的抗電蝕性。在適當(dāng)?shù)碾婅T工藝條件下得到的材料具有很強(qiáng)的抗電蝕性，而當(dāng)在電鑄Cu溶液中加入較多納米氧化鑭添加劑時(shí)，得到的電鑄Cu中出現(xiàn)了納米氧化鑭第二相，使材料的導(dǎo)電導(dǎo)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(guò)復(fù)合電鑄得到Cu－石墨復(fù)合材料，這種材料是在Cu主體中引入微粉石墨，其微觀(guān)形貌為Cu主體中均勻鑲嵌著內(nèi)核為片狀石墨、外裹Cu的片狀“微粒中心”。試驗(yàn)表明，含適量石墨的這種復(fù)合材料電極的抗電蝕性能比Cu好得多，分析認(rèn)為，這是由于材料中的“微粒中心”在電火花加工過(guò)程中綜合了外層Cu的優(yōu)良導(dǎo)熱性能和石墨內(nèi)核的儲(chǔ)熱與抗電蝕能力，且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間放電后露出的石墨內(nèi)核起到了骨架的作用，可減少液體金屬的飛濺。
　　由于導(dǎo)電CVD金剛石膜作為電極材料時(shí)損耗很小，因而將其作為微細(xì)電火花加工中的電極材料具有很好的應(yīng)用前景。而且，用導(dǎo)電CVD金剛石膜作為電極電火花加工同樣的金剛石膜時(shí)，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(xì)電火花加工中不同形狀的電極。
　　5 結(jié)語(yǔ)
　　在不同的工藝參數(shù)條件下加工不同材料的工件時(shí)，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(chǎng)合。人們根據(jù)各種電火花加工的需要，已研究和應(yīng)用了多種電極材料，電極材料的發(fā)展又推動(dòng)著電火花加工工藝的進(jìn)步。一些新的電極材料還需作進(jìn)一步的研究和改進(jìn)才能得到實(shí)際應(yīng)用。選用電極材料時(shí)，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(jīng)濟(jì)性等多方面的因素。

　　
　　來(lái)源：《工具技術(shù)》 作者：淮海工學(xué)院 楊建明，喬斌，李化強(qiáng)