线切割取样时裂纹内部的电火花积碳现象研究

郑建军， 田香菊， 郝建英， 党淑娥

(太原科技大学材料学院， 太原030024)

摘　要: 应用扫描电镜及X 射线能谱仪等设备，对采用线切割制取的裂纹样品内表面的黑色不明物进行了分析。认为这些黑色覆盖物为脉冲电流在放电过程中，油性液体介质裂变产物(主要为碳黑) 涂覆在裂纹内部形成的积碳。

关键词: 线切割; 电火花; 积碳; 裂纹

　  对一批出现裂纹的样品进行失效分析时，发现在经线切割取样后的样品裂缝中存在大量的黑色覆盖物，这对裂纹面的分析带来许多不便。样品材质为35 钢，裂纹出现在构件厚薄截面的交汇处，尽管此处有圆角过渡，但经淬、回火后有一定数量的产品出现裂纹，有的裂纹呈贯通状。

1 　检验

对切割后的样品进行宏观检查，沿裂纹走向可看到多处因电火花放电而出现的白斑(见图1) 。对裂纹面进行扫描电镜观察，发现在裂纹面上有较多的黑色覆盖物(见图2) ，这些黑色覆盖物与其它地方的形貌基本相似，但棱角处较别处光滑。对黑色覆盖物进行X 射线能谱仪检查，证实为大量的碳(见图3) ，其成分(质量分数) 见表1。

                  图1 　裂纹宏观照片                              图2 　裂纹断口SEM像

            图3 　SEM 像中的黑色覆盖物的EDS谱              图4 　平均温度随时间变化曲线图

2 　结果与讨论

从以上实验结果可知，裂纹表面的黑色覆盖物为碳黑。因在电火花切割过程中使用的润滑剂为油性液体介质，而油性液体润滑剂介质易直接渗入裂纹内部，并保留下来。

电火花放电加工是利用两电极极间脉冲火花放电产生大量的热能，熔化、蒸发和抛出电极材料，达到加工的目的。由于放电点面积小，其能量密度可达105～107W/ mm2 ，放电能量大部分被工件电极吸收。瞬间聚集的高放电能量在试样的裂纹处引起局部放电，使裂纹内的油性液体介质发生裂变，裂变的产物主要为碳黑。

其碳黑形成机理如下，从图4可看出，随着温度的升高，残留乳液中的水分开始蒸发(约100 ℃，图4中的A 点) ，氢气露点(氢气达到饱和时的温度) 上升，到冷却开始时，露点下降到-60 ℃，接着残留乳液开始分解反应(图4 中的B 点，约300 ℃) ，反应式如下:

CnHm + O₂ →CO + H₂O (1)

　　碳氢化合物首先与水蒸气中的氧起反应，在裂纹的窄缝之间形成CO。随着温度升高，长链开始裂解，原子团形成，见反应式(2) :

CnHm →Cn + H_m-2 + H₂ (2)

氢分子在裂纹的窄缝之间极易扩散，这些原子团的开口端处于氢饱和状态，形成容易挥发的轻烃(图4中的C 点，约500 ℃) 。氢气有助于还原积碳，然而有些碳仍然留在裂纹表面，在700 ℃左右时，氢气直接与积碳发生反应，生成甲烷。

由于在线切割过程中，瞬间聚集的放电能量很高，但是在冷却介质的作用下，整体的温度场仍然是较低的。因此，只发生式(1) 和式(2) 反应，而不会出现氢气直接与积碳发生反应生成甲烷。

积碳层质量与放电过程中分配给极间和工件电极的能量关系式为[ 1 ] :

WT = MI ·PT     (3)

 式中:WT ———单个脉冲放电时出现的积碳层的重量，g

MI ———比例系数，g/ J

 PT———单个脉冲放电时形成稳定放电通道而传递给介质和工件的能量，J

由式(3) 可知，积碳层的质量W T 与单个脉冲放电时形成稳定放电通道而传递给介质和工件的能量PT 成正比， 而PT 随脉冲持续时间的增大而增大 ，也可以说积碳层的质量W T 与脉冲持续时间成正比。

3 　结语

从上述分析与讨论可知，使用线切割取样时，冷却介质会不断地渗入贯通状的裂纹中，这些冷却介质在脉冲电流的放电过程中发生裂变形成积碳。

本研究的目的在于，了解使用线切割加工取样时所产生的积碳现象，揭开因为积碳现象而造成的假象，以便在进行产品或零件的失效分析时，能够及时准确地进行分析和判断，不被一些假象所迷惑。