H13模具鋼表面電火花沉積層工藝及其性能研究*

李福海，代明江，陳興馳，鄧暢光，馬文有

廣東省新材料研究所，激光制造研究室，廣東 廣州 510650

電火花沉積技術(Electrical Discharge Deposition)也稱電火花表面改性/合金化技術(Electrical Discharge Surface Modification/Alloying，簡稱EDA)，是通過火花放電，把作為電極的導電材料熔滲進金屬工件的表層，形成合金化的表面沉積層，使工件的物理化學和機械性能得到改善[1]．該技術的主要設備由振動器電源和振動器等構成，振動器電源種類有振動電源和脈沖電源．振動電源負責給振動器供電，而振動器負責夾持電極作上下往復或旋轉運動；脈沖電源負責給電極和工件供電，使兩者之間產生電火花放電[2-3]．電火花沉積技術能在工件表面賦予硬度高、抗耐磨、抗腐蝕及熱硬性好的合金強化層[4]，同時還具有設備控制操作簡單、熱輸入量小、能對局部和復雜表面強化及電極材料選擇范圍廣、環(huán)保經濟等優(yōu)勢[5-7]，可在航空航天、能源、軍事、核工業(yè)[8]、電力、機械工業(yè)、電子、汽車以及醫(yī)療等眾多領域中得到廣泛的應用．

H13模具鋼(4Cr5MoSiV1)是廣泛使用的熱作模具鋼，其具有較高的熱強度和硬度、高的耐磨性和韌性，以及較好的耐熱疲勞性能，廣泛應用于制造各種鍛模、熱擠壓模，以及鋁、銅及其合金的壓鑄模具．工作時由于熱作模具鋼需承受很大的沖擊載荷、強烈的摩擦、劇烈的冷熱循環(huán)引起的熱應力及高溫氧化，因此常會出現(xiàn)崩裂、塌陷、磨損和龜裂等．為了解決H13鋼耐磨性不足的問題，可通過電刷鍍、熱噴涂、激光熔覆、滲氮/碳等工藝對其表面進行強化．這些工藝都各有優(yōu)勢和缺點：激光熔覆結合力高，但應力大、工藝復雜；熱噴涂的結合力低，冷噴涂結合力高但設備系統(tǒng)龐大、柔性差；電刷鍍工藝過程隨著鍍液的變化而變化，工藝復雜，廢鍍液的處理對環(huán)境污染很大．目前，針對局部小面積處理尚沒有便利、有效的工藝，因此本研究采用電火花沉積工藝在H13模具鋼表面制備硬質合金層，同時從工藝優(yōu)化及沉積層性能方面研究探索電火花強化H13鋼合金層的變化規(guī)律．

1 試驗材料及方法

1.1 材 料

H13模具鋼的組成成分列于表1．電極材料為部分燒結硬質合金，其直徑為3～5 mm，主要成分為WC和Co，其組織微觀形貌如圖1所示．從圖1可以看出，不規(guī)則的WC顆粒分布于Co基體中，WC顆粒尺寸為1～10 μm，通過圖像法測量WC含量超過90%．

表1 H13鋼的元素含量Table 1 Element contents of H13

圖1 部分燒結電極的組織微觀形貌Fig.1 Microstructure of partially sintered electrodes

1.2 方 法

電火花沉積采用新型DZS-1400電火花沉積設備．電火花沉積時用氬氣作為保護氣體，氬氣流量設定為7 L/min，電極的伸出長度固定為3 mm，當電極燒損約為2 mm時需調整電極長度至初始值的3 mm，試驗過程中手動/自動控制電火花槍的移動速度．

工藝參數(shù)研究的主要目的，是提出一系列適合不同材料沉積在不同基體表面的優(yōu)化參數(shù)．工藝參數(shù)優(yōu)化常用的方法是試驗設計，即先按定義好的一定因素水平的試驗矩陣進行試驗，然后得出優(yōu)化的工藝參數(shù)，最后用優(yōu)化的沉積工藝參數(shù)進行試件測試．影響EDA/C沉積層質量的工藝參數(shù)包括：電源參數(shù)(電壓、電流、電容、感應系數(shù)、放電頻率、脈沖周期)、電極條件(成分、密度、幾何形狀、旋轉速度、平移速度、方向和接觸力)、環(huán)境(保護氣的成分、流量、溫度)及基體(材料、表面光潔度、表面精度溫度和幾何形狀)等[9]．為了簡化試驗過程，將試驗參數(shù)分為固定參數(shù)和可變參數(shù)．固定參數(shù)是根據設備的最佳參數(shù)運行范圍及試驗經驗積累而來的，而試驗的可變參數(shù)是對試驗過程影響較大的參數(shù)，在眾多可變參數(shù)中脈沖持續(xù)時間、電流及極性對電火花的形成影響最大．表2列出了固定參數(shù)及可變參數(shù)．

表2 試驗的固定參數(shù)及可變參數(shù)Table 2 Test fixed parameters and variable parameters

本研究重點考察對沉積過程影響較大的參數(shù)，在參數(shù)許可的變化范圍內，依據不同的參數(shù)組合設計出具體的試驗組，其安排列于表3．由表3可知，在每一種極性之下，分別組合固定參數(shù)和可變參數(shù)，形成具體的試驗參數(shù)數(shù)據．

據試驗組安排表進行分組試驗，隨后將獲得的電火花沉積層進行金相試樣分析．用Leica DMIRM型光學顯微鏡(OM)和JSM-5910型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察分析金相試樣的沉積層的顯微組織；用XHD-1000型顯微硬度計測定沉積層的顯微硬度，載荷200 g、加載時間15 s，測量5組數(shù)據取平均值；用自改造的Alicona Infinite測量儀，測試電火花沉積層表面的形貌特征；用自制熱疲勞試驗機，測試熱疲勞性能；用MMW-1A型銷盤摩擦磨損試驗機，測試沉積層磨損性能．

表3 負極性和正極性試驗組安排表Table 3 Arrangement of the negative and positive experiments

2 試驗結果及分析

2.1 電極極性的影響

為了研究電極極性對電火花工藝過程的影響規(guī)律，首先利用保持電極與基體沒有相對運動的靜態(tài)試驗進行了分組研究，結果如圖2所示．從圖2可以看出：在正極性條件下，基體材料表面被腐蝕呈明顯的凹坑，表現(xiàn)為基體材料的去除，表明在H13鋼基體上基本不能形成沉積層；而在負極性條件下，基體材料表面沒有明顯的凹坑，表明在H13鋼表面形成了不同于基體和電極的沉積層，因此表現(xiàn)為材料的累積．這是因為負極性加工時, 電極分配的能量是基體的兩倍，基體和電極二者同時在電火花脈沖中熔化，也同時在脈沖間隙中凝固．試驗初始，電極的熔化速率高于基體,因此表現(xiàn)為電極材料在基體上的沉積，沉積層的構成成分為電極與基體的混合物[10]；隨著試驗的進行，元素C與W，Co和Fe等合金元素發(fā)生了復雜的物理化學冶金反應，在工件表面形成了硬度很高的白亮層，此后隨著沉積層的增厚，沉積層與電極之間的構成成分逐漸接近，最終形成熔化與沉積的平衡，至此白亮層成分和厚度不再發(fā)生變化，達到穩(wěn)定狀態(tài)．

圖2 電極極性對電火花過程的影響(a)負極性(-)；(b)正極性(+)Fig.2 Influence of electrode polarity on the EDD process(a)negative；(b)positive

2.2 工藝參數(shù)對表面粗糙度的影響

在正負兩種極性條件下，測量了18組參數(shù)下電火花加工表面的粗糙度，變化規(guī)律如圖3所示．從圖3可以看出：在負極性下加工表面粗糙度明顯低于正極性的；隨著參數(shù)變化，無論是在正極性下還是在負極性下，加工表面的粗糙度都有增大的趨勢；在影響因素中，脈沖電流影響較大，脈沖時間影響次之．

圖3 工藝參數(shù)對電火花加工表面粗糙度的影響 Fig.3 Influence of parameters on the surface roughness of EDD

圖4是典型電火花處理后的表面結構特征．從圖4(a)可以看出，負極性的表面上呈現(xiàn)出圓盤形的表面光滑平整的液滴狀沉積物，其沉積在基體表面或彼此疊加．從圖4(b)可以看出，正極性的表面呈現(xiàn)出不規(guī)則的巖漿狀區(qū)域，巖漿的表面凹凸不平，有明顯的凹坑和凸起，這正是造成負極性比正極性粗糙度低的原因[11]．

2.3 沉積層分析

為獲得一定厚度的電火花沉積層，同時為了改善表面狀態(tài)，減少裂紋，采用工件與電極相對移動，通過連續(xù)負極性電火花處理，使工件表面形成高硬度的白亮層．為了獲得更好質量的白亮層，處理過程中應減小單個脈沖放電能量，為了使單個脈沖放電更均勻，選擇較小的電流7 A，保持脈沖持續(xù)時間15 μs不變，同時電火花處理時間從15 min增加至2 h，以獲得連續(xù)、有一定厚度的沉積層．

圖4 電火花沉積層表面微觀特征Fig.4 Characteristic micro-surface of EDC deposites

2.3.1 沉積層結構

H13鋼的表面經過電火花沉積部分燒結電極硬質合金后，形成了如圖5所示的電火花沉積層．從圖5可見，沉積層由表及里分別為白亮層、過渡層和熱影響區(qū)，再往里是鋼材的原始基體組織.白亮層為表面的最外層，其抗腐蝕性好，該層的組織結構及成分取決于電極和工件的材料[12]；與白亮層靠近的是過渡層，它是由電極材料中的一些組成元素熔滲擴散到基體金屬材料中后被迅速淬火而形成的，從金相組織照片上看過渡層發(fā)黑，主要是因為高溫下冷卻析出的細小碳化物附在細化的馬氏體組織上面，經腐蝕后變黑；熱影響區(qū)主要是受電火花放電的高溫作用，從而使這層鋼材的原始組織受到不同程度的影響，經腐蝕后該區(qū)的顏色由深過渡到淺，說明受熱溫度不一樣，其主要組織為回火馬氏體．從圖5還可見，熱影響區(qū)范圍比較大且其馬氏體組織粗大，主要是因為沉積時間長、受熱時間長，造成馬氏體組織長大，其組織由大到小，說明受熱溫度也不一樣．

圖5 電火花沉積層結構1-合金層；2-熱影響區(qū)；3-基體Fig.5 Structure of EDD layer1-alloy layer；2-HAZ；3-substrate

2.3.2 沉積層成分分析

電火花沉積后對單獨的液滴區(qū)域(方框部分)進行元素分析，如圖6所示．從圖6可見，沉積層中含有H13和部分燒結電極的元素成分．這是因為電火花沉積層的成分不僅與電極和基體的材料有關，而且與沉積工藝參數(shù)有關，在電火花處理過程中電極和基體的各種元素發(fā)生相互擴散，主要表現(xiàn)為基體材料中的Fe，Cr，Mn和V元素向表層擴散，而電極材料中的W元素向基體擴散，這就造成白亮層內W和C元素含量較高，以及在白亮層內還含有一定量的 Co元素．由此可知，電火花沉積過程不是簡單的涂鍍過程，而是組成電極和工件材料中諸元素的原子在電火花沉積過程中發(fā)生劇烈的擴散和重新合金化的過程[13]．電火花沉積層的組織結構除了跟電極和工件材料有關外，還與設備功率及沉積工藝的不同也有差別．

圖6 電火花沉積層成分分布Fig.6 Element distribution of EDD coating

2.3.3 沉積層的硬度

測試了沉積層的硬度，結果如圖7所示．從圖7可見，沉積層的硬度隨著距表面的距離增大而逐漸降低，硬度最高可達1330 Hv．這也驗證了電火花沉積層不是簡單地涂覆在基體上，而是電極和基體元素在沉積層中分布是逐漸過渡的，具有梯度性的．這主要是由于基體材料中含有大量的C和W元素，它們的整體硬度要遠高于基體材料，而在電火花沉積過程中基體材料與電極材料發(fā)生了相互間的擴散熔滲，使得形成的沉積層中C元素含量上升，從而提高了沉積層的硬度．

圖7 電火花沉積層硬度分布圖Fig.7 Hardness distribution of EDD layer

3 結 論

(1)H13鋼經電火花沉積后，最表面一層為白亮層，其次為過渡層，內層是熱影響區(qū)，再往里是鋼材的原始組織．

(2)電火花沉積白亮層的元素含量與沉積工藝有一定的關系．白亮層物相由復雜的化合物構成，是因電火花沉積的電極和工件材料在高溫下發(fā)生了一系列復雜的物理化學的冶金反應，電極和工件中的元素互相熔滲、擴散和重新合金化．

(3)沉積層的硬度超過1300 Hv，具有一定的工程應用前景．

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