h13鋼電火花表面強化層的微觀組織與性能

h13鋼電火花表面強化層的微觀組織與性能

0表面改性技術(shù)作為一個新興的技術(shù)和密集的行業(yè)，該軟件箱在中國經(jīng)濟中發(fā)揮著非常重要的作用。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,如何提高模具耐磨性、耐腐蝕等表面性能引起了人們的廣泛關(guān)注。常用的模具表面強化方法有濕法電鍍、滲碳、電火花表面強化、堆焊、物理氣象沉積法(PVD)、化學(xué)氣象沉積法(CVD)等。其中,電火花表面強化技術(shù)作為電火花微細加工領(lǐng)域重要的延伸和拓展,越來越多地被應(yīng)用在模具表面改性中,即通過電極與工件之間的瞬態(tài)放電,利用放電能量使電極材料向基體擴散、遷移,以實現(xiàn)基體局部表面熔化和合金化,獲得表面硬質(zhì)薄層化合物,以提高被強化基體的表面力學(xué)性能。傳統(tǒng)的電火花表面強化大都在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進行,由于工作液的氣化及膨脹的去基體局部表面熔化和合金化,獲得表面硬質(zhì)薄層化合物,以提高被強化基體的表面力學(xué)性能。傳統(tǒng)的電火花表面強化大都在有一定絕緣性能的液體介質(zhì)中進行,由于工作液的氣化及膨脹的去除效果,會對熔化并轉(zhuǎn)移到工件表面的電極強化材料有很強的沖刷作用,十分不利于沉積層的形成。20世紀90年代出現(xiàn)的氣中電火花加工技術(shù)突破了以往只能在液體介質(zhì)中進行的限制,但氣中電火花表面強化,常常依靠手工控制,存在著加工精度均一性差、強化層較薄等缺點。以霧(氣液混合)作為工作介質(zhì)的可行性首先由Tanimura等人進行闡釋,目前已應(yīng)用到了電火花加工及表面強化技術(shù)領(lǐng)域,本文以硬質(zhì)合金YG8為工具電極,分別在煤油、霧狀工作介質(zhì)中對H13鋼進行電火花表面強化,對比分析了不同工作介質(zhì)條件下強化層的微觀組織、物相組成、界面行為和顯微硬度等。1材料的強化試驗試驗用基體材料為H13鋼,其化學(xué)成分見表1。原始組織為回火索氏體,平均硬度為HRC42,微觀組織如圖1所示。電火花強化設(shè)備為北京安德建奇電火花成形機床,以YG8硬質(zhì)合金為工具電極,分別在煤油、霧(空氣和去離子水混合物)工作介質(zhì)中對H13鋼進行電火花表面強化。電火花試驗參數(shù):峰值電流ie=14A,脈沖寬度ton=50μs,脈沖間隔toff=50μs,電源極間電壓為120V,加工深度h=0.1mm,正極性加工(試樣接負極,電極接正極)。試驗用試樣規(guī)格為10mm×10mm×10mm,經(jīng)400#~2000#砂紙磨光,拋光后進行電火花表面強化試驗。在TescanVEGATS5136XM掃描電子顯微鏡(SEM)下觀察不同介質(zhì)條件下強化層的微觀組織形貌;在X射線衍射儀上對強化層進行物相分析;在顯微硬度計上對強化層進行硬度測試,選擇載荷為0.49N,加載時間為10s,每個試樣隨機測試4個不同點,求取平均值。2試驗結(jié)果及分析2.1s13鋼基線單脈沖強化點圖2為不同工作介質(zhì)條件下獲得強化層微觀組織形貌。由圖2a,b可以看出,2種工作介質(zhì)條件下H13鋼強化層整體形貌均呈橘皮狀,由多次脈沖放電產(chǎn)生。由圖2c,d可見,2種工作介質(zhì)條件下H13鋼基體單脈沖強化點均為圓狀,在中心位置有一個圓坑,這是由于隨電火花放電瞬時高能量脈沖產(chǎn)生的“氣爆”使合金的熔滴飛濺后形成的。橘皮狀組織邊緣均呈涌濺狀,但在霧狀介質(zhì)條件下,涌濺的距離基本一致,強化層更加均勻,強化表面更為平整,強化層組織更為致密。這是由于在霧中放電時,放電通道橫截面在比液中放電的通道橫截面大,容易獲得大的電蝕坑,從而獲得較好的表面質(zhì)量。另外可以看出,與煤油介質(zhì)相比,霧狀介質(zhì)條件下獲得的強化組織邊緣更圓潤,這是由于霧狀介質(zhì)中放電產(chǎn)生的脈沖能量分布較煤油介質(zhì)中放電產(chǎn)生的脈沖能量分布更均勻。2.2高溫下球磨石材料強化層的制備不同工作介質(zhì)條件下獲得的強化層厚度如圖3所示。在2種介質(zhì)條件下,強化層與基體的結(jié)合均較為良好,沒有明顯的分界層,強化層內(nèi)部組織均勻致密,這是因為電火花表面強化是應(yīng)用電火花放電產(chǎn)生的高溫,使熔融的基體材料和電極材料在基體表面發(fā)生原位自生反應(yīng),為一次生長形成。對比圖3a與圖3b可以看出,與煤油介質(zhì)條件下獲得的平均厚度為20μm的強化層相比,霧狀介質(zhì)條件下,強化層的平均厚度達到48μm,且分布較為均勻。這是因為在煤油介質(zhì)條件下,油液不斷地沖洗工件表面,將產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物拋出和排除,強化層厚度較薄;霧狀介質(zhì)條件下,氣和液滴混合形成的霧不會產(chǎn)生沖刷工件表面的作用,同時液滴受等離子體加熱而汽化,體積將增加1000倍以上,可為工作介質(zhì)提供放電通道的爆炸力,冷卻效果更好,這些均有利于強化層的形成,增加強化層厚度。2.3強化相fe的生成圖4為H13鋼在不同放電介質(zhì)條件下獲得的強化層的X射線衍射圖譜。從圖4中可以看出,強化層由多種相組成,強化過程中參加反應(yīng)的元素均來自基體材料H13鋼和電極材料YG8硬質(zhì)合金。在煤油介質(zhì)條件下,強化層主要含有α-Fe,Cr,FeCr及Co3Fe7相,霧狀介質(zhì)條件下,強化層則主要以Fe3C,FeCr,α-Fe及Co3Fe7相為主。Fe的間隙化合物主要是由電火花強化過程中高溫條件下H13鋼中的Fe,Cr和電極材料中的Co生成的物相。這表明電火花強化過程中,在脈沖電流作用下產(chǎn)生的瞬時高溫及油和霧條件下的快速冷卻綜合作用下,使凝固過程發(fā)生較大的改變,非平衡凝固致使強化相的生成。但是,與傳統(tǒng)的煤油工作介質(zhì)相比,在霧狀介質(zhì)條件下獲得的強化層中含有一定量的Fe3C相,單相Cr相消失。由圖4還可以看出,與煤油介質(zhì)相比,霧狀介質(zhì)條件下,雖然仍有幾個明顯的尖銳峰,但衍射峰的寬度明顯增加,出現(xiàn)類似非晶衍射所特有的漫散衍射峰。這表明在霧狀介質(zhì)工作條件下有非晶生成,合金由液相轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷嗟哪芰χ饕Q于冷卻速率和合金成分,電火花放電時產(chǎn)生極高的溫度,發(fā)生的時間只有10-6~10-5s,然后,這個放電微區(qū)在霧狀介質(zhì)中冷卻,霧狀介質(zhì)的產(chǎn)生是在霧狀發(fā)生器中以噴霧的形式形成,為流動狀態(tài),其蓄熱系數(shù)明顯小于煤油,而導(dǎo)熱系數(shù)則明顯大于煤油的導(dǎo)熱系數(shù)。另外,強化過程中,流動的霧狀介質(zhì)帶走了一定的熱量,對凝固過程又起到一定的冷卻作用,使得霧狀介質(zhì)的冷卻速度大于煤油介質(zhì)的冷卻速度。加工過程的快速加熱與快速冷卻,導(dǎo)致強化層非晶組織的形成。2.4強化層材料h-5.3層中fe在強化層表面隨機選取4個位置進行顯微硬度測試,試驗數(shù)據(jù)見表2。由表2中的結(jié)果可知,與原始H13鋼相比,經(jīng)不同介質(zhì)條件電火花表面強化后,表面硬度得到較大提高。在煤油介質(zhì)條件下的強化層平均硬度為HV855.6,而在霧狀介質(zhì)條件下的強化層平均硬度高達HV1286.3。從上述分析可知,電火花強化層組織中含有高硬度的Fe的間隙化合物。同時,電火花強化層是在瞬時高溫和冷卻條件下完成的,存在著高密度的位錯和殘余應(yīng)力,這些均導(dǎo)致強化層具有較高的硬度。另外,霧介質(zhì)條件下強化層顯微硬度明顯高于煤油介質(zhì)條件下的,這是由于霧介質(zhì)強化層中單相Cr相消失,出現(xiàn)了大量的具有高硬度的Fe3C相。3強化層的物相分析(1)2種工作介質(zhì)條件下H13鋼強化層整體形貌均呈橘皮狀,霧狀介質(zhì)條件下,強化點邊緣更圓潤,強化表面更為平整,強化層組織更為致密。2種介質(zhì)條件下,強化層與基體的結(jié)合均較為良好,在煤油介質(zhì)條件下,強化層的平均厚度為20μm,而霧狀介質(zhì)條件下,強化層的平均厚度為48μm,且分布均勻。(2)對強化層進行物相分析表明,在煤油介質(zhì)條件下,強化相主要有α-Fe,Cr,FeCr及Co3Fe7相;而在霧狀介