超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化試驗(yàn)研究

宋夕超,張建華,董春杰

(山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院高效潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,山東 濟(jì)南 250061)

混粉電火花表面強(qiáng)化技術(shù)通過(guò)在加工液中混入可作為強(qiáng)化相的粉末,利用銅電極直接進(jìn)行表面強(qiáng)化,克服了固體電極、粉末壓結(jié)體電極和粉末燒結(jié)體電極等在電火花表面強(qiáng)化中電極損耗嚴(yán)重、強(qiáng)化精度低、電極制造困難、強(qiáng)化費(fèi)用高等缺點(diǎn)[1]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在混粉電火花加工和強(qiáng)化方面已進(jìn)行了相關(guān)研究。Furutani等[2]使用直徑1mm的銅棒作為工具電極,在工作液中混入Ti粉實(shí)現(xiàn)工件表面強(qiáng)化。研究結(jié)果表明,電火花表面強(qiáng)化層的形成主要受電流和脈寬的影響,大能量下則主要表現(xiàn)為工件材料的去除。電火花表面強(qiáng)化處理得到強(qiáng)化層的硬度能達(dá)到2000 HV,但強(qiáng)化表面粗糙度差,表面形貌差。Yan等[3]在工作液中混入鋁粉和鉻粉對(duì)混粉電火花表面強(qiáng)化進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究,結(jié)果表明,電介質(zhì)中添加鋁粉和鉻粉能增大放電間隙,減小單次放電的能量,改善電火花加工表面性能。加工過(guò)程中粉末遷移、滲透到加工表面,使強(qiáng)化層的耐腐蝕性和表面強(qiáng)度都得到提高。

已有的相關(guān)研究表明,輔助超聲振動(dòng)對(duì)電火花加工和表面強(qiáng)化都有積極的作用。Kremer等[4]研究發(fā)現(xiàn)在電火花加工過(guò)程中,超聲振動(dòng)的泵吸作用能加速工作液循環(huán),縮短加工時(shí)間,電極之間較大的交變壓力會(huì)使有效放電增多、電火花加工影響層減小,且超聲振動(dòng)使兩極之間的放電穩(wěn)定性增強(qiáng)。董春杰等[5]采用硅電極進(jìn)行超聲振動(dòng)輔助電火花表面強(qiáng)化,研究了超聲振動(dòng)對(duì)強(qiáng)化層的影響。研究發(fā)現(xiàn),輔助超聲振動(dòng)能改善強(qiáng)化層的厚度分布,提高強(qiáng)化層的顯微硬度、耐磨性和耐腐蝕性,改善表面粗糙度,這主要得益于超聲振動(dòng)在熔體中的攪拌及空化作用,使熔池中的液體分布均勻,得到規(guī)則且連續(xù)的表面強(qiáng)化層。綜上分析,在混粉電火花表面強(qiáng)化的基礎(chǔ)上輔助超聲振動(dòng),可得到更好的表面強(qiáng)化層。

超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化過(guò)程的原理見(jiàn)圖1。通過(guò)正交試驗(yàn)研究在不同超聲振幅和放電參數(shù)條件下的強(qiáng)化層性能,以期對(duì)超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化研究有一定的指導(dǎo)作用。

圖1 強(qiáng)化過(guò)程原理示意圖

1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)設(shè)備為SF201精密電火花成形加工機(jī)床。超聲波發(fā)生器在試驗(yàn)過(guò)程中頻率固定,振幅分4個(gè)檔位,分別為0、2、4、8μm。試驗(yàn)設(shè)備的連接方式見(jiàn)圖2。試驗(yàn)工件為經(jīng)淬火并中溫回火的65Mn鋼,尺寸為50mm×12mm×1mm。所用粉末成分主要為碳化鈦,粒度為14μm。試驗(yàn)用電極為普通銅電極,電極截面直徑為12mm。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備原理圖

為了研究脈寬、脈間、峰值電流、混粉濃度和超聲振幅5個(gè)因素變化對(duì)強(qiáng)化層的影響,設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。用場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)觀察表面強(qiáng)化層的截面形貌并進(jìn)行EDS元素分析;用MH-6型顯微硬度計(jì)測(cè)定表面強(qiáng)化層的顯微硬度;用UMT-2多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其耐磨性和摩擦系數(shù)。

表1 超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化正交試驗(yàn)水平表

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 強(qiáng)化層形貌分析

超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化試樣的表面形貌、表面EDS元素分析和線截面掃描分析見(jiàn)圖3。圖3b是圖3a中框選區(qū)域的表面元素成分分析,顯示強(qiáng)化層鈦元素和碳元素含量很高,個(gè)別試樣中鈦元素或碳元素的含量甚至超過(guò)了鐵元素。由圖3c的線截面掃描可看出,強(qiáng)化層厚度可達(dá)10μm左右。試驗(yàn)結(jié)果表明,選取合適的強(qiáng)化參數(shù)可形成較好的強(qiáng)化層。

圖3 試樣的強(qiáng)化層形貌和成分分析

2.2 強(qiáng)化層表面鈦含量分析

各試驗(yàn)樣品編號(hào)及其強(qiáng)化層表面Ti含量見(jiàn)表2。其中,強(qiáng)化層表面Ti含量為隨機(jī)測(cè)量4點(diǎn)后求得的平均值。強(qiáng)化層形成狀況的好壞以強(qiáng)化層表面鈦元素含量多少來(lái)評(píng)定。

表2 正交試驗(yàn)表及表面鈦含量百分?jǐn)?shù)

圖4是強(qiáng)化層表面的鈦含量隨各因素變化規(guī)律。綜合分析圖4和表3,可得到對(duì)強(qiáng)化層影響程度從高到低的各因素依次為峰值電流、脈沖寬度、粉末濃度、脈沖間隔和超聲振幅。混粉電火花表面強(qiáng)化過(guò)程是極間熔融氣化材料在電場(chǎng)力、超聲振動(dòng)等作用下沖擊熔滲到工件表面,在超聲泵吸和空化等攪拌作用下與工件表面材料融合的過(guò)程。

表3 正交試驗(yàn)中各因素對(duì)表面鈦含量影響分析

試驗(yàn)結(jié)果表明,峰值電流和脈沖寬度是影響強(qiáng)化層形成的最主要因素,即單脈沖能量大小是影響強(qiáng)化層的最主要因素(單脈沖能量的大小與峰值電流和脈沖寬度成正比[6])。表面強(qiáng)化過(guò)程中,單脈沖能量越大,對(duì)于強(qiáng)化層的形成越不利。強(qiáng)化層的形成主要是由于放電通道中熔融的粉末在等離子體高速運(yùn)動(dòng)及電泳作用等帶動(dòng)下,與工件表面的熔融基體材料融合。放電過(guò)程中隨著脈沖能量的增大,放電通道氣化的粉末增多,熔滲到工件表面的粉末減少,同時(shí),工件表面熔融和蝕除的材料增多,之前形成的強(qiáng)化層被去除。當(dāng)放電能量增大到一定程度,電火花表面強(qiáng)化過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)殡娀鸹庸み^(guò)程,其形貌及元素種類見(jiàn)圖5。

圖4 各因素對(duì)鈦原子百分?jǐn)?shù)的影響規(guī)律

圖5 表面形貌(電流為5.6 A,脈寬為25μm)

超聲振動(dòng)對(duì)強(qiáng)化層的形成有一定的促進(jìn)作用。超聲振動(dòng)的空化、泵吸等作用促進(jìn)極間粉末的循環(huán),使粉末分布均勻,同時(shí)對(duì)熔融粉末施加一個(gè)作用力,使熔滲到工件表面的粉末材料增多。但當(dāng)超聲振幅增大到一定程度時(shí),超聲的泵吸、沖擊、空蝕和化學(xué)反應(yīng)等加工機(jī)制增強(qiáng),增加熔融工件材料從蝕坑中的排出效果,形成對(duì)工件材料的有效去除過(guò)程,使強(qiáng)化層的形成受到一定程度的削弱。

分析正交試驗(yàn)結(jié)果得到一組最利于強(qiáng)化層形成的強(qiáng)化參數(shù),分別對(duì)應(yīng)于試驗(yàn)中脈寬的第一水平,脈間的第二水平,電流的第一水平,粉末濃度的第二水平和超聲振動(dòng)的第二水平。以該組參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn),驗(yàn)證其是否為最優(yōu)強(qiáng)化方案。強(qiáng)化試樣的形貌和成分見(jiàn)圖6,強(qiáng)化表面的鈦含量為17.02%,明顯高于正交試驗(yàn)中的最優(yōu)值14.78%。

圖6 最優(yōu)條件下的表面形貌及元素成分

2.3 強(qiáng)化層表面硬度測(cè)試

強(qiáng)化層表面硬度采用MH-6型維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量。由于強(qiáng)化層厚度較小,測(cè)量時(shí)選取載荷為50 g。采用金剛石四棱體壓頭,施加載荷后保壓5 s,卸去載荷,在顯微鏡下測(cè)量壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度,系統(tǒng)會(huì)通過(guò)式(1)自動(dòng)計(jì)算出所測(cè)強(qiáng)化層的維氏硬度值。每個(gè)試樣測(cè)量6次,取平均值作為其硬度值。

式中:P為試驗(yàn)載荷,kg;d為壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度,mm。

硬度測(cè)量后的基體和強(qiáng)化層表面見(jiàn)圖7,從圖中壓痕大小可明顯看出強(qiáng)化表面硬度得到很大的提高。基體材料 6次測(cè)量的硬度平均值為398.45 HV,最優(yōu)參數(shù)條件下強(qiáng)化所得試樣表面的硬度平均值為736.30 HV,比基體材料硬度平均值提高了84.79%。

圖7 硬度測(cè)量后表面形貌

2.4 強(qiáng)化層表面耐磨性測(cè)試

為了研究強(qiáng)化層的耐磨性能,對(duì)最優(yōu)條件下強(qiáng)化處理的試樣用UMT-2多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)化層摩擦磨損試驗(yàn),并將其與基體材料進(jìn)行對(duì)比。對(duì)磨試樣采用硬質(zhì)合金磨球,其硬度為1200 HV,磨球的表面粗糙度低于0.05μm。

試驗(yàn)在常溫環(huán)境進(jìn)行,試驗(yàn)條件為:施加正壓力40 N,摩擦副滑動(dòng)的線速度4mm/s,對(duì)磨時(shí)間20 min,以磨痕寬度近似表征其磨損量。

從圖8的磨痕照片可看出,在相同的試驗(yàn)條件下,基體材料的磨痕寬度大約為強(qiáng)化層磨痕寬度的3倍,表明強(qiáng)化層的耐磨性明顯好于基體材料。

圖8 磨痕圖片

由圖9的摩擦系數(shù)對(duì)比可看出,基體材料的摩擦系數(shù)一開(kāi)始急劇增大,其值一度達(dá)到0.5～0.6,強(qiáng)化層的摩擦系數(shù)很小,在整個(gè)對(duì)磨的20 min內(nèi),其摩擦系數(shù)幾乎不變。主要原因是強(qiáng)化層硬度高,同時(shí)由于碳化鈦熔滲到強(qiáng)化表面以及放電過(guò)程中煤油裂解出的碳滲與強(qiáng)化表面的合金化反應(yīng),使強(qiáng)化層中含碳量增加(EDS分析可知,強(qiáng)化層碳質(zhì)量百分?jǐn)?shù)可達(dá)23.55%,而原子百分?jǐn)?shù)則為57.94%),降低了強(qiáng)化層的摩擦系數(shù),提高其耐磨性。

圖9 基體材料和強(qiáng)化層摩擦系數(shù)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

3 結(jié)論

(1)超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化能實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的強(qiáng)化,得到厚度約為10μm左右的強(qiáng)化層,其主要成分為鈦、碳和鐵等元素。

(2)在超聲振動(dòng)輔助混粉電火花表面強(qiáng)化過(guò)程中,各因素對(duì)強(qiáng)化層形成的影響程度依次為峰值電流、脈沖寬度、粉末濃度、脈沖間隔和超聲振幅,其中峰值電流和脈沖寬度對(duì)強(qiáng)化層影響最為顯著。強(qiáng)化層中鈦元素含量隨著電流和脈寬的增加而減少。在本文的試驗(yàn)條件下,最佳的強(qiáng)化處理參數(shù)為:峰值電流 2.4 A,脈沖寬度 24μs,脈沖間隔 100μs,粉末濃度 40 g/L,超聲振幅2μm。

(3)試驗(yàn)測(cè)得的強(qiáng)化層顯微硬度明顯高于基體材料,最佳強(qiáng)化表面顯微硬度為736.30HV,比基體材料提高84.79%。

(4)與基體材料相比,強(qiáng)化層的耐磨性明顯提高,其磨損量明顯小于基體材料,同時(shí)強(qiáng)化層的摩擦系數(shù)低,僅為基體材料摩擦系數(shù)的一半左右。

[1]方宇.液中放電沉積關(guān)鍵技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2006.

[2]Furutani K,Sato H,Suzuki M.Influence of electrical conditions on performance of electrical discharge machining with powder suspended in working oil for titanium carbide deposition process[J].The International Journal of Advance Manufacture Technology,2009,40(11-12):1093-1101.

[3]Yan B H,Lin Y C,Huang F Y,et al.Surface modification of SKD 61 during EDM with metal powder in the dielectric[J].Materials Transactions,2001,42(12):2597-2604.

[4]Kremer D,Lebrun J L,Hosaria B,et al.Effects of ultrasonic vibrations on the performances in EDM[J].CIRP Annals—Manufacturing Technology,1989,38(1):199-202.

[5]董春杰,張建華,許家源.超聲振動(dòng)輔助電火花脈沖放電表面強(qiáng)化層性能研究[J].電加工與模具,2010(6):24-27.

[6]曹鳳國(guó).電火花加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.