CN101967536A - 超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺，选用淬火后中温回火处理的65Mn钢为工件电极，单晶Si为工具电极，在工具电极上附加超声振动装置辅助电火花表面强化，以煤油为工作液，利用电火花加工机床对65Mn钢进行正极性电火花表面强化，强化电参数为：4.2μs≤脉宽＜7.5μs，脉宽脉间比为0.21～0.56；3.2A≤峰值电流＜14.2A，强化时间15～25min，工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1～12μm，频率范围15～60kHz。本发明改善了强化层的表面形貌，使强化层厚度分布更为均匀致密，增加强化相的数量，提高了强化层的显微硬度、耐磨性和表面Si含量。

Description

超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺

技术领域

本发明涉及一种材料表面处理的工艺，特别涉及超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺。

背景技术

基于电加工方式的电火花脉冲放电表面强化技术是表面强化技术的重要组成部分，具有设备简单、操作容易、成本低等优点，可广泛用于模具、刀具及机械零件的表面强化和磨损部位的修补，具有很大的应用空间。国内外学者对其强化工艺、电极材料的选择及其相关理论进行了深入的研究。研究表明，强化后的工件表面显微硬度、耐磨性、耐腐蚀性得到了极大提高，但强化层在工件表面分布不均匀，极大限制了该项技术的应用。在金属或合金的结晶过程中引入超声振动，可以细化晶粒、均化组织，从而提高材料的性能。本发明以65Mn钢表面硅电极超声振动辅助电火花脉冲放电强化为研究对象，将电火花脉冲放电表面强化技术与超声振动技术相结合，利用超声振动进一步改善表面强化层的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺，以超声振动和电火花脉冲放电表面强化技术相结合为研究对象，选择合适的参数，提高强化层的质量。

本发明采取的技术方案为：

超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺：选用淬火后中温回火处理的65Mn钢为工件电极，单晶Si为工具电极，在工具电极上附加超声振动装置辅助电火花表面强化，以煤油为工作液，利用电火花加工机床对65Mn钢进行正极性电火花表面强化，强化电参数为：4.2μs≤脉宽＜7.5μs，脉宽脉间比为0.21～0.56；3.2A≤峰值电流＜14.2A，强化时间15～25min，工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1～12μm，频率范围15～60kHz。

所述的超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺，优选步骤如下：

选用淬火后中温回火处理的65Mn钢为工件电极，单晶Si为工具电极，在工具电极上附加超声振动装置辅助电火花表面强化，以煤油为工作液，利用电火花加工机床对65Mn钢进行正极性电火花表面强化，强化电参数为脉宽4.2μs，脉间18μs，峰值电流5.6A，加工时间15min；工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1～12μm，频率范围15～60kHz。

本发明的强化工艺在超声振动辅助硅电极电火花脉冲放电表面强化65Mn钢中，工具电极辅助超声振动对表面强化层的表面质量有显著影响。选择合适的超声振动振幅和频率，可以提高强化层的表面粗糙度，改善强化层的表面形貌，使强化层厚度分布更为均匀致密，增加强化相的数量。强化层表面粗糙度随超声振动振幅的增加而增大，在中频低振幅条件下表面粗糙度最佳；在低振幅条件下可以获得强化层厚度分布均匀致密的强化层。强化层的显微硬度、耐磨性和表面Si含量均有所提高。

本发明将超声技术与电火花脉冲放电表面强化技术相结合，在基于电火花加工表面强化的过程中引入超声振动技术，在工具电极或者工件上辅助超声振动，使电火花表面合金化生成的的表面强化层厚度分布均匀，性能得到进一步改善，进一步提高了电火花脉冲放电表面强化技术的应用范围。

附图说明

图1超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化示意图；

图2超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化表面粗糙度；

图3超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化层表面3D形貌，(a)未辅助超声振动(b)辅助中频低振幅超声振动，(c)辅助高频高振幅超声振动；

图4超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化表面形貌，(a)未辅助超声振动，(b)低频率、低振幅，(c)低频率、高振幅，(d)中频率、低振幅，(e)中频率、中振幅，(f)高频率、低振幅，(g)高频率、高振幅；

图5未辅助超声振动电火花脉冲放电表面强化表面EDS，(a)Wt％(C，11.6；Si，6.19)；(b)Wt％(C，7.41；Si，8.50)；

图6超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化截面形貌，(a)未辅助超声振动，(b)辅助高频低振幅超声振动，(c)辅助高频高振幅超声振动；

图7超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化层截面厚度；

图8超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化层Si含量；

图9超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化层相结构，(a)未辅助超声振动，(b)辅助高频低振幅超声振动，(c)辅助高频高振幅超声振动；

图10超声振动辅助电火花表面强化层表面显微硬度；

图11超声振动辅助电火花表面强化层磨损曲线。

具体实施方式

实施例1

工件电极为淬火后中温回火处理的65Mn钢，其原始组织为回火屈氏体，尺寸为100mm×12mm×0.5mm。工具电极采用单晶Si，含量为99.999％，尺寸为12mm×12mm×20mm。实验机床为北京阿奇夏米尔SF201电火花精密成形加工机床，在煤油中对65Mn钢进行正极性电火花表面强化。工具电极安装在超声波发生器超声变幅杆的端部，与变幅杆紧密结合，保证能够和超声换能器的振动频率产生共振，超声波发生器、超声换能器、变幅杆、工具电极组成一个机械谐振系统。将超声换能器、变幅杆及工具电极组合形成超声振动装置安装在精密电火花成型加工极的主轴上，如图1。强化参数为脉宽7.2μs，脉间32μs，峰值电流11A，强化时间25min。分别在中低高振幅和频率范围内选取超声振幅2μm、6μm、12μm，超声频率15kHz、40kHz、60kHz进行超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化实验。

实施例2

工件电极为淬火后中温回火处理的65Mn钢，其原始组织为回火屈氏体，尺寸为100mm×12mm×0.5mm。工具电极采用单晶Si，含量为99.999％，尺寸为12mm×12mm×20mm。实验机床为北京阿奇夏米尔SF201电火花精密成形加工机床，在煤油中对65Mn钢进行正极性电火花表面强化。工具电极安装在超声波发生器超声变幅杆的端部，与变幅杆紧密结合，保证能够和超声换能器的振动频率产生共振，超声波发生器、超声换能器、变幅杆、工具电极组成一个机械谐振系统。将超声换能器、变幅杆及工具电极组合形成超声振动装置安装在精密电火花成型加工极的主轴上，如图1。强化参数为脉宽7.2μs，脉间12.8μs，峰值电流14A，强化时间25min。分别在中低高振幅和频率范围内选取超声振幅2μm、6μm、12μm，超声频率15kHz、40kHz、60kHz进行超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化实验。

实施例3

电火花机床为北京阿奇夏米尔公司生产的SF201型精密电火花成型加工机，超声波发生器由上海超声波设备厂制造，最大输出功率为150W，最大振幅为12μm，它可以实现输出功率和频率的手动调节。工件采用淬火中温回火的65Mn钢，尺寸为100mm×12mm×0.5mm。工具电极采用单晶Si，含量为99.999％，尺寸为12mm×12mm×20mm。设定电参数如下：正极性加工，脉宽4.2μs，脉冲间隔18μs，峰值电流5.6A，强化时间15min。工具电极安装在超声变幅杆的端部，与变幅杆紧密结合，保证能够和超声换能器的振动频率产生共振，超声波发生器、超声换能器、变幅杆、工具电极组成一个机械谐振系统。将超声换能器、变幅杆及工具电极组合形成超声振动装置安装在精密电火花成型加工极的主轴上，如图1所示。工件和工具电极分别与普通电火花加工机床的脉冲电源连接，同时工具电极辅助超声振动装置，脉冲放电产生的瞬时高温使工具电极表面材料局部熔化、汽化，涂覆或者扩渗到工件材料表面，形成合金化的表面层。

分别在中低高振幅和频率范围内选取超声振幅2μm、6μm、12μm，超声频率15kHz、40kHz、60kHz进行超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化实验。

测试实验

将上述实施例3强化后的试样切割成12mm×12mm×0.5mm。用场发射扫描电镜(SEM)、X射线能谱仪(EDS)、X射线衍射仪对表面强化层进行表面和截面形貌、成分、组织结构分析；用MH-6型显微硬度计测定表面强化层的显微硬度；用MRH-3型高速环块摩擦磨损试验机测定强化层的耐磨性；用白光干涉仪随机选取4个点测量表面粗糙度，计算平均值作为强化层表面粗糙度；随机选取六张截面的SEM图片测量强化层厚度，计算平均值作为强化层的厚度。

测试结果如下：

本研究中超声振幅和频率各选取低、中、高三档，实验条件编号如表1所示。

表1超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化实验

测量样品表面粗糙度结果如图2所示。无超声振动辅助时的强化层表面粗糙度值为314nm。由图2可以看出，1、4、5号试样的表面粗糙度测量值均低于未辅助超声时的强化层表面粗糙度值，频率相同时，强化层的表面粗糙度值随着超声振动幅度的增加而增大。在低频率时，强化层的表面粗糙度在中振幅和高振幅基本一致。在振幅相同时，强化层的表面粗糙度值在中频率时最低。超声振幅对表面粗糙度的影响总体上大于超声频率。从图3强化层表面3D形貌中可以看出，与未辅助超声振动和辅助高频高振幅超声振动相比，辅助中频低振幅超声振动强化层表面较为平坦，凸起和凹坑较少，表面粗糙度较高。这是因为在电火花脉冲放电表面强化过程中，超声振动有效地放大了加工间隙，使放电过程趋于稳定，减少空载和拉弧现象的发生，提高放电能量利用率。同时，合适的超声振动参数所具有的空化和泵吸作用等特性，有利于电极的电蚀产物和工件表面发生冶金反应生成物的细化和均匀，表面粗糙度值相应减小。

超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化层表面形貌如图4所示。由图可知，强化层是由一系列圆饼叠加形成。结合图2，强化层表面形貌与未辅助超声振动相比，辅助低频低振幅与中频低振幅变化不大，而在高振幅及高频低振幅条件下，强化层表面起伏较大，高频高振幅强化层表面有更多的凸起和凹坑，表面圆饼周围出现较多褶皱。在中高振幅条件下，强化层表面清晰，圆饼周围及表面未出现低振幅及未辅助超声振动强化层表面的白色物质。对未辅助超声振动强化层表面进行EDS能谱分析如图5所示，白色物质点Si含量明显提高(8.50％)，表明未辅助超声振动及辅助低频低振幅条件下表面的白色物质为未参与合金化反应的Si或者合金化反应生成的Si的化合物。在工具电极高频高振幅超声振动条件下，超声振动对工具电极上蚀除的Si液滴产生加速度，使液滴高速冲击工件表面与工件及工作液中的分解产物发生合金化反应生成强化层；同时，高频高振幅产生的空化作用使白色物质被从强化层表面去除，得到较为清晰的表面强化层。

超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化层截面形貌如图6所示，其中(a)未辅助超声振动，(b)辅助高频低振幅超声振动，(c)辅助高频高振幅超声振动。从图中我们可以看出，未辅助超声振动强化层厚度分布不均匀，辅助高频低振幅超声振动后强化层厚度分布均匀。在辅助低振幅超声振动情况下，工具电极蚀除液滴在超声振动加速作用下喷射到工件表面，由于超声波的空化效应和热效应，合金化反应更为充分，在极间距离一定的前提下，到达工件时的温度更高，进而液滴之间的融合效果更好，得到厚度分布均匀的强化层。而在辅助高频高振幅超声振动时，在强化层中出现较多气孔，强化层致密度下降。这是因为在高振幅超声振动条件下，工具电极蚀除液滴的冲击力增大，到达工件时的温度更高，液滴在冲击工件时发生溅射，形成如图4(g)中的较多凸起和凹坑及褶皱的表面形貌，强化层逐层叠加，导致强化层中有较多气孔产生。强化层厚度变化情况如图7所示，在高频率时随着超声振动振幅的增加，强化层厚度增加。

超声振动辅助电火花脉冲放电强化层Si含量值如图8所示，可以看出，强化层表面Si含量随超声振幅的增加而增大，均高于未辅助超声振动强化层表面Si含量，在高频高振幅条件下，强化层表面Si含量值达到17.17％。随着超声振幅的增加，超声振动对工具电极蚀除液滴产生的加速作用增大，有更多的Si参与表面合金化反应生成强化层。

样品的X射线衍射图谱如图9所示，其中(a)未辅助超声振动，(b)辅助高频低振幅超声振动，(c)辅助高频高振幅超声振动。从图中可以看出，各样品的衍射峰基本一致，但(b)、(c)中强化层的强化相明显增多，表明电火花脉冲放电表面强化辅助超声振动时，在超声振幅和频率达到一定的程度时，可以显著提高强化层中强化相的数量，从而提高强化层的强化效果。

在MH-6型显微硬度计上，用50gf的载荷加载5s，测定强化层的表面显微硬度，结果如图10所示，可以看出，超声振动辅助时强化层的显微硬度随频率和功率的变化而变化。附加超声振动后强化层显微硬度基本上都高于0号对比试样，表明超声振动可以提高表面强化层的显微硬度。中振幅和高振幅条件下，显微硬度值均表现出随着频率增加先降低后增大的趋势；在低振幅条件下，强化层的显微硬度随着频率的增加而增大，表现出与其它两条曲线不同的变化趋势。在低频条件下，强化层的显微硬度随振幅的增加而增大；在高频条件下，强化层的显微硬度随振幅的增加而降低。综合分析，辅助超声振动后强化层的显微硬度增大，随着频率和功率的变化而变化。

在超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化过程中，超声振动一方面起到细化和均匀电蚀产物的作用；另一方面，由于超声振动产生的对工具电极熔化液滴的加速作用，使更多的Si加速与工件表面合金化，导致表面强化层硬度提高。因此，选择适当的超声振动参数，能够获得比普通电火花脉冲放电强化处理硬度更高的强化层。

选取4号试样进行耐磨性实验，磨损量采用体积法测量。每10min测量一次磨损量，实验结果如图11所示。可以看出，超声振动辅助强化层的耐磨性比无超声振动辅助时的强化层耐磨性有了进一步的提高，其50min时的磨损量仅相当于基体材料20min时的磨损量，耐磨性能大幅度提高。

Claims (2)

1.超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺，其特征是，选用淬火后中温回火处理的65Mn钢为工件电极，单晶Si为工具电极，以煤油为工作液，利用电火花加工机床对65Mn钢进行正极性电火花表面强化，在工具电极上附加超声振动装置辅助电火花表面强化，强化电参数为：4.2μs≤脉宽＜7.5μs，脉宽脉间比为0.21～0.56；3.2A≤峰值电流＜14.2A，强化时间15～25min，工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1～12μm，频率范围15～60kHz。

2.按照权利要求1所述的超声振动辅助电火花脉冲放电表面强化工艺，其特征是，所述的强化电参数为脉宽4.2μs，脉间18μs，峰值电流5.6A，强化时间15min；工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1～12μm，频率范围15～60kHz。

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