柔性鈦電極電火花表面強(qiáng)化模具鋼Cr12試驗研究*

徐安陽,劉志東

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

隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,模具的應(yīng)用日益廣泛,而模具零件的失效大多數(shù)是從表面開始的,如磨損、高溫氧化、腐蝕等。因此,對模具零件表面性能的要求越來越高,對模具表面的強(qiáng)化研究日益引起人們的重視。常用的模具表面強(qiáng)化方法有:濕法電鍍、滲碳、電火花表面強(qiáng)化、堆焊、物理氣象沉積法(PVD)、化學(xué)氣象沉積法(CVD)等[1-5]。這些方法在有效改進(jìn)其耐磨性、耐蝕性、抗高溫氧化性的同時,存在著一些不足,如電鍍需進(jìn)行表面預(yù)處理,等離子噴涂存在涂層表面較粗糙、生產(chǎn)過程產(chǎn)生噪聲、極強(qiáng)的紫外線污染等,氣體氮化、PVD及CVD等方法存在著涂層厚度薄、工藝復(fù)雜、需專用設(shè)備和專業(yè)技術(shù)人員、生產(chǎn)成本高等問題[4-9]。

電火花表面強(qiáng)化是在空氣或特殊氣體中利用火花放電的瞬間脈沖放電能量,在電極和試件表面形成高溫、高壓的放電區(qū)域,熔化電極并將熔融的電極材料涂覆滲透到試件表面,形成具有冶金特性的強(qiáng)化層[7],有效提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蝕性及熱硬性等。利用柔性電極進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化能發(fā)揮傳統(tǒng)電火花強(qiáng)化的優(yōu)勢,并克服傳統(tǒng)電火花強(qiáng)化的不足。

金屬鈦具有比強(qiáng)高、比剛度高、且具有很好的抗腐蝕性能、高溫力學(xué)性能、抗疲勞和蠕變性能等優(yōu)點;氧化鈦具有化學(xué)穩(wěn)定性好、抗腐蝕和抗氧化性能優(yōu)良、且具有干潤滑、抗粘著作用、韌性好、熱硬性高等優(yōu)點。因此氧化鈦和鈦材料被廣泛用于制備金屬陶瓷、切割工具、模具、電觸點和金屬表面的被覆材料[2]。本文以金屬鈦作為電極材料,在Cr12表面獲得由鈦及其化合物組成的強(qiáng)化層,在保持Cr12材料淬透性好、強(qiáng)度較高等特性的同時,發(fā)揮鈦及其化合物的優(yōu)點,改善并提高試件的表面性能。

1 試驗原理

鈦材料柔性電極電火花表面強(qiáng)化原理見圖1。調(diào)速電機(jī)帶動柔性電極高速旋轉(zhuǎn),在脈沖電源的作用下,作為兩極的鈦材料柔性電極與Cr12金屬表面形成連續(xù)均勻的火花放電,產(chǎn)生的高溫高壓使鈦電極和模具鋼Cr12試件表面材料發(fā)生熔化甚至氣化;在火花放電產(chǎn)生的高溫環(huán)境中,熔融的金屬鈦和Cr12與空氣中的氧等元素發(fā)生反應(yīng),生成新的強(qiáng)化合金和強(qiáng)化物質(zhì)如氧化鈦等,沉積并擴(kuò)散在試件表層,形成強(qiáng)化膜;同時火花放電對表面產(chǎn)生的驟熱驟冷作用,使試件表面材料及強(qiáng)化生成層晶粒細(xì)化。強(qiáng)化過程可通過調(diào)節(jié)強(qiáng)化速度、電極轉(zhuǎn)速、放電能量等得到不同的表面硬度、表面質(zhì)量及不同厚度的強(qiáng)化層。

圖1 柔性鈦電極電火花強(qiáng)化模具鋼Cr12原理圖

2 試驗研究

2.1 試驗條件

試驗在自制的電火花強(qiáng)化機(jī)床上進(jìn)行。電極材料為鈦絲,其外徑為25 mm,中空,內(nèi)徑為15 mm,柔性電極轉(zhuǎn)速2 500 r/min;試件為模具鋼Cr12,切割成30 mm×6 mm×6 mm,經(jīng)表面預(yù)處理、清洗、吹干,強(qiáng)化速度為1 min/cm2。選用4組、每組 5個試件進(jìn)行強(qiáng)化。用JSM-5600-Ⅳ型掃描電鏡(SEM)觀察強(qiáng)化層的表面形貌和強(qiáng)化層組分;用HXS-1000AK型顯微硬度計測量強(qiáng)化層的表面硬度,載荷為300 g,加載時間為15 s,每個試件測試5個不同點,求平均值,作為強(qiáng)化層表面硬度;用TR240型便攜式表面粗糙度儀測量強(qiáng)化層的表面粗糙度值,每個試件測3個不同位置,求平均值,作為試件表面粗糙度值。試驗參數(shù)及強(qiáng)化結(jié)果見表1。

表1 鈦柔性電極表面強(qiáng)化的電參數(shù)和測量結(jié)果

2.2 試驗分析

2.2.1 放電波形分析

圖2是鈦材料柔性電極電火花強(qiáng)化的波形圖。由圖可知,放電波形不同于電火花加工中典型的放電波形。在強(qiáng)化過程中,一個放電脈沖內(nèi)的放電狀態(tài)在短路和電弧放電狀態(tài)多次跳轉(zhuǎn)。主要是由于在強(qiáng)化過程中,鈦材料柔性電極高速旋轉(zhuǎn),單個電極絲放電過程經(jīng)歷向Cr12工件表面靠近、擊穿放電、電弧放電、短路、脫開5個過程。強(qiáng)化過程中,柔性電極的眾多電極絲在一個脈沖寬度內(nèi)會有多條電極絲與表面接觸放電,分散單個脈沖能量。由于電極絲數(shù)量大,密集放電,且柔性電極高速旋轉(zhuǎn),放電和脫離過程都在極短的時間內(nèi)發(fā)生,體現(xiàn)在波形圖上就出現(xiàn)擊穿放電后,放電狀態(tài)在電弧放電和短路之間跳轉(zhuǎn)[8-9]。在一個脈沖寬度內(nèi),放電點的放電狀態(tài)發(fā)生多次跳轉(zhuǎn),單個脈沖放電被分散為幾次窄脈沖放電或多條電極絲同時放電,從而使脈沖放電能量被分散,單點放電能量密度減小,有利于減小單個放電蝕坑的深度和熱影響區(qū)的面積。在宏觀上表現(xiàn)為,強(qiáng)化表面由許多個淺而小的放電蝕坑代替一個深而大的放電蝕坑,使強(qiáng)化表面粗糙度值降低且均勻,保持較好的表面質(zhì)量。放電狀態(tài)為電弧放電,在強(qiáng)化過程中,放電產(chǎn)生的高溫使鈦電極材料更易熔融、融化,與空氣中的氧、氮反應(yīng)生成強(qiáng)化物質(zhì),沉積滲透到模具鋼Cr12表面,同時也有利于熔融的電極材料沉積到試樣表面。

圖2 放電波形圖(電壓50 V/格,電流10 A/格)

2.2.2 表面質(zhì)量和微觀形貌分析

由表1可知,強(qiáng)化處理對試件表面粗糙度值有一定影響。表1中第1組和第2組試件,經(jīng)柔性鈦電極表面強(qiáng)化處理后,表面粗糙度值相對初始表面分別提高了19%和22%;對于表面質(zhì)量更好的第4組,表面粗糙度值的提高量也僅僅是25%;對于初始表面粗糙度值較大的表面(試件3),處理前為Ra 4.39 μm,經(jīng)柔性電極表面強(qiáng)化處理后,表面粗糙度值降低到 Ra 1.767 μm,比初始表面降低了60%。

如圖3、圖4所示,在模具鋼Cr12試樣表面生成了均勻、致密、呈明顯流動狀分布的強(qiáng)化層,沒有出現(xiàn)與傳統(tǒng)電火花放電類似的放電蝕坑。由圖4可知,試件表面強(qiáng)化層有重熔凝固現(xiàn)象且呈現(xiàn)流動狀分布,表面強(qiáng)化物質(zhì)有被柔性電極帶動移動的現(xiàn)象。對比圖3和圖4可看出,圖3表面完整性好,表面均勻,重熔凝固現(xiàn)象影響較小,表面缺陷較少;圖4重熔凝固現(xiàn)象特別明顯,表面被重熔顆粒覆蓋,存在孔洞和重熔顆粒等缺陷,完整性較差。由圖5可看出,柔性電極對熔融的強(qiáng)化表面有刮磨涂覆作用,平整均勻化表面強(qiáng)化層。

圖3 第1組試件強(qiáng)化表面微觀圖像

圖4 第3組試件強(qiáng)化表面微觀圖像

出現(xiàn)這些情況主要是因為高速旋轉(zhuǎn)的柔性電極具有眾多的電極絲,同一時間在模具鋼Cr12試樣表面形成多個放電點,放電點密度較大,且互相影響,破壞了典型的放電蝕坑,形成特殊的放電影響表面。圖3和圖4是在相同的電參數(shù)條件下制備的試件,從二者明顯不同的重熔凝固表面可看出,初始表面粗糙度對微觀表面質(zhì)量有很大影響。對于表面粗糙度值較小的表面,電火花放電點較均勻,生成強(qiáng)化物質(zhì)也較均勻,因此能形成較完整的強(qiáng)化表面;而對于表面粗糙度值大于 Ra 1.8 μm的表面,在強(qiáng)化過程中,高速旋轉(zhuǎn)的鈦材料柔性電極,優(yōu)先與表面上凸出部分放電,使放電點的鈦電極和試件表面金屬熔化或熔融,彼此化合形成強(qiáng)化合金,同時熔化和熔融的材料與空氣中的氧、氮等元素反應(yīng)生成強(qiáng)化物質(zhì)。反應(yīng)生成的強(qiáng)化物質(zhì)和強(qiáng)化合金在鈦電極的帶動下發(fā)生轉(zhuǎn)移,沉積于表面較低的位置,由于這些地方達(dá)到放電間隙的時間晚,不能放電或不能被電蝕坑完全覆蓋,就形成了完整性較差的表面(圖4)。圖5的刮磨涂覆作用說明,柔性電極對熔化或熔融的材料有轉(zhuǎn)移和涂覆的作用,有利于減小強(qiáng)化表面的粗糙度值,對提高模具鋼Cr12試樣的表面質(zhì)量有一定的幫助。

由以上分析可知,鈦材料柔性電極表面強(qiáng)化過程中有兩種作用會影響表面質(zhì)量:一是火花放電的電蝕坑對表面的破壞作用,增大了表面粗糙度值;二是柔性電極對強(qiáng)化物的轉(zhuǎn)移涂覆和磨削作用。當(dāng)初始表面粗糙度值較小時,放電蝕坑影響強(qiáng)于磨削涂覆作用,起主導(dǎo)作用,表現(xiàn)為強(qiáng)化后的表面粗糙度值升高;當(dāng)初始表面粗糙度值較大時,磨削涂覆作用強(qiáng)于放電電蝕作用,起主導(dǎo)作用,使強(qiáng)化后的表面粗糙度值降低,提高表面質(zhì)量。

2.2.3 表面成分分析

對比圖6和圖7可知,Cr12模具鋼經(jīng)鈦材料柔性電極“正極性”強(qiáng)化處理后,表面出現(xiàn)大量的鈦和氧等原始表面沒有的元素。說明在利用“正極性”電火花強(qiáng)化過程中,電極材料鈦沉積到了Cr12模具鋼表面,與工件表面材料合金化,同時熔融的金屬鈦、Cr12表面金屬和空氣中的元素發(fā)生反應(yīng),生成氧化鈦等強(qiáng)化物質(zhì),沉積在試件表面,極大提高了表面硬度。對比圖6和圖8可知,在采用“負(fù)極性”強(qiáng)化的過程中,電極材料并沒有大量地沉積滲透到處理后的試件表面,僅有一定量的氧元素出現(xiàn)在試件表面。這主要是因為:①由圖2放電波形可知,放電多為電弧放電,有利于作為負(fù)極的材料沉積滲透到正極中去;②在一個脈沖過程中放電狀態(tài)發(fā)生多次跳躍變化,使單次放電時間減少,相當(dāng)于極大地減小脈沖寬度;在窄脈寬條件下,由火花放電的極性效應(yīng)可知,火花放電能量主要集中于正極,“正極性”加工時模具鋼Cr12的表面材料能充分熔化,有利于作為負(fù)極的熔化的鈦材料及其化合物沉積滲透到正極材料中去,達(dá)到表面強(qiáng)化的目的。“負(fù)極性”加工時,極性效應(yīng)反而不利于強(qiáng)化物質(zhì)的生成與沉積。

圖6 Cr12基體表面前的EDS圖像

圖7 第1組試件的EDS圖像

圖8 第2組試件的EDS圖像

2.2.4 表面硬度分析

由表1可知,試件經(jīng)鈦材料柔性電極電火花表面強(qiáng)化處理后,表面硬度得到較大提高。這主要是由于火花放電產(chǎn)生的高溫、高壓使電極金屬鈦和試件表面元素熔化,熔融的金屬和空氣中的氧元素等反應(yīng)生成新的強(qiáng)化物質(zhì),同時高能粒子化的鈦金屬和空氣中的氧、氮等元素反應(yīng)生成新的強(qiáng)化物質(zhì),在電場力、機(jī)械力等作用下沉積在工件表面,同時鈦元素和工件表面元素形成新的強(qiáng)化合金,生成的強(qiáng)化物質(zhì)和強(qiáng)化合金沉積在試件表面,形成強(qiáng)化膜,較大地提高了強(qiáng)化表面的硬度。

3 結(jié)論

(1)用鈦材料柔性鈦電極在空氣中對模具鋼Cr12試件進(jìn)行電火花表面強(qiáng)化,能生成新的強(qiáng)化物質(zhì)和強(qiáng)化合金沉積在試件表面,形成強(qiáng)化層,硬度相對于基體提高1.5倍以上。

(2)強(qiáng)化表面沒有出現(xiàn)典型的放電蝕坑,鈦材料柔性電極對強(qiáng)化表面有磨削涂覆作用,可減輕或消除放電蝕坑對強(qiáng)化表面的影響,強(qiáng)化表面粗糙度值能穩(wěn)定在 Ra 1.8 μm左右。對于初始表面粗糙度值較小的表面,強(qiáng)化層表面粗糙度值略有增大;對于初始表面粗糙度值較大的表面,能有效降低表面粗糙度值。

(3)Cr12、鈦及其氧化物形成強(qiáng)化層,沉積于工件表面。而正極性強(qiáng)化處理更容易使電極材料鈦及氧化物沉積擴(kuò)散到模具鋼Cr12試件表面。

(4)放電狀態(tài)在短路和電弧放電狀態(tài)下多次跳轉(zhuǎn)。單個脈沖放電被分散為幾次窄脈沖放電或多條電極絲同時放電,單點放電能量密度減小,有利于減小放電蝕坑的深度和熱影響面積,獲得良好的強(qiáng)化表面。

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