专利名称：65Mn钢电火花脉冲放电表面强化工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种材料表面处理的工艺，特别涉及65Mn钢电火花表面强化工艺。
背景技术：
电火花加工是利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电 材料的特种加工方法。传统电火花表面强化技术是直接利用高能量密度的电能对工件表面 进行强化处理，通过火花放电作用将电极材料熔渗进工件的表层，形成合金化的表面强化 层，使工件性能得到改善的工艺方法，这种方法存在较多缺点。而基于电火花加工方法的表 面强化技术是在普通电火花加工机床上进行，能够形成致密且硬度高的强化层。众多学者 的研究表明，在普通电火花加工机床上，应用正极性加工，在小电流和窄脉宽条件下，可以 获得性能良好的表面强化层，强化层的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性都有了较大提高。强化层组织结构和表面性能随强化参数和电极材料的不同而变化。如下文献分别 利用在工作液中添加粉末、利用压结体或烧结体电极进行电火花表面强化，对电火花脉冲 放电强化层的表面组织和性能进行了深入的研究。研究表明，强化后的工件表面性能得到 了显著提高，但是强层中存在的裂纹较多。硅作为半导体，电阻率大，以硅作为工具电极进 行正极性电火花表面强化，硅电极消耗大，可以在两极间充满大量的粉末，强化过程的热量 使两极与煤油中裂解出来的C发生合金反应，在工件表面形成非晶纳米晶强化层，通过选 择合适的强化参数，可以有效的减少强化层中裂纹。Y. M. Quan,Y. H. Liu,Powder-suspension dielectric fluid for EDM,Journal of Materials ProcessingTechnology,52 (1995)44-54 ；Y. Uno, A. Okada, S. Cetin, Surface Modification of EDMed Surface with Powder Mixed Fluid, in 2ndInternational Conference on Design and Production of Dies and Molds,2001 ；B. H. Yan, Y. C. Lin, F. Y. Huang, C. H. Wang, Surface modification of SKD 61 during EDM with metal powderin the dielectric, Materials Transactions, 42(2001)2597-2604。
发明内容
本发明的目的是提供一种65Mn钢电火花表面强化工艺，在普通电火花加工机床 上，以硅为工具电极，在65Mn钢表面进行电火花表面强化，通过选择合适的强化参数，有效 减少强化层中的显微裂纹，在65Mn钢表面形成非晶纳米晶强化层，显微硬度、耐磨性和耐 腐蚀性有了显著提高。本发明采取的技术方案为65Mn钢电火花表面强化工艺，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，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，强化参数为4. 2 μ s <脉宽< 7. 5 μ s，脉宽脉间比为0. 21 0. 56 ；3. 2Α彡峰值电流< 14. 2Α ；强化时间根据强化 层厚度和表面粗糙度的要求选取15 25min。所述的65Mn钢电火花表面强化工艺，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，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，强化参数为脉宽 4. 2 μ s，脉间18 μ s，峰值电流5. 6Α，强化时间15min。本发明通过大量的试验分析，得出如上技术方案，实验分析见如下过程(1)设定脉宽4. 2 μ s，脉间18“8，峰值电流5.6々，在3 251^11时间范围内选取 不同时间进行表面强化。在15min时强化层厚度为最大6 μ m,表面粗糙度在25min时为最 低值240nm，在15 25min范围内变化较小，所以我们设定强化时间为15min ；(2)在脉宽4. 2μ s，脉间18ys，加工时间15min条件下，在峰值电流为3. 2 14. 2A内选取不同电流进行表面强化。强化层厚度和表面粗糙度随峰值电流的增大而增大， 在峰值电流为14. 2A条件下，强化层表面出现较多空穴和显微裂纹；(3)在脉宽4. 2 μ s，峰值电流5. 6Α，强化时间15min条件下，在脉间为7. 5 32 μ s 范围内选取不同脉间表面强化。强化层表面粗糙度随脉间的增大而增大，强化层厚度在 15 20 μ S范围内保持不变达到最大值5 μ m，所以我们设定脉宽4. 2 μ S时脉间18 μ S ；(4)在峰值电流5. 6A，强化时间15min，脉间18 μ s下，在脉宽为2. 4 10 μ s范围 内进行选取不同脉宽表面强化。强化层厚度随脉宽的增大而线性增大，表面粗糙度基本上 随脉宽的增大而减小，但在脉宽为2. 4μ S条件下，合金反应不充分，表面粗糙度较差；在脉 宽为7. 5 μ S条件下，强化层表面出现裂纹。本发明的强化工艺在65Μη钢表面制备了一种与基体呈良好冶金结合的非晶纳米 晶强化层，强化层与基体结合力强，厚度约5 μ m ；表面强化层由非晶纳米晶组成，晶粒尺寸 在20-100nm左右，强化层显微裂纹显著较少；表面强化层硬度、耐磨性、耐腐蚀性较基体有 了较大提高。
图1电火花脉冲放电表面强化层的SEM图片，(a)是强化层表面形貌图，(b)为(a) 的局部放大图；(c)、(d)为强化层表面形貌2电火花表面强化层线扫描图；图3电火花表面强化层的XRD图谱；图4电火花脉冲放电表面强化层的TEM形貌；图5电火花表面强化层截面形貌；图6 MRH-3型高速环块摩擦磨损试验机原理图；图7基体与电火花表面强化层表面的摩擦磨损实验结果；图8电火花表面强化试样王水中腐蚀后形貌(a)宏观形貌，(b)截面形貌。
具体实施例方式实施例1工件电极为淬火后中温回火处理的6 5Mn钢，其原始组织为回火屈氏体，尺寸为
4IOOmmX 12mmX0. 5mm。工具电极采用单晶 Si，含量为 99. 999%,尺寸为 12mmX 12mmX20mm。 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。强化参数为脉宽4. 2 μ s，脉间18 μ s，峰值电流5. 6Α，强化时间15min。实施例2工件电极为淬火后中温回火处理的6 5Mn钢，其原始组织为回火屈氏体，尺寸为 IOOmmX 12mmX0. 5mm。工具电极采用单晶 Si，含量为 99. 999%,尺寸为 12mmX 12mmX20mm。 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。强化参数为脉宽5. 6 μ s，脉间24 μ s，峰值电流3. 2Α，强化时间18min。实施例3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 IOOmmX 12mmX0. 5mm。工具电极采用单晶 Si，含量为 99. 999%，尺寸为 12mmX 12mmX20mm。 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。强化参数为脉宽7. 2 μ s，脉间12. 8μ s,峰值电流11Α，强化时间25min。测试实验将上述实施例强化后的试样切割成12mmX12mmX0.5mm。用场发射扫描电镜 (SEM)、X射线能谱仪(EDS)、透射电子显微镜(TEM)、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 MFT-4000型多功能材料表面性能试验机测定表面强化层结合力；用MRH-3型高速环块摩擦 磨损试验机测定强化层的耐磨性；用王水对表面强化层进行耐腐蚀性试验。强化层的SEM图片如图1，(a)是实施例1强化层表面形貌图，可知，强化层由一层 层的圆盘叠加而成，表面层平整，没有明显的裂纹。对圆盘进行局部放大，如图(b)所示，未 见有细小的晶体析出。(c)、(d)分别为实施例2、3的表面形貌图。对表面强化层进行能谱分析，所得能谱分析结果如表1所示，从中看到表面强化 层主要由Fe、C、Si三种元素组成。其中C、Si质量分数比65Mn钢基体由了明显提高，其中 的C主要来自于煤油中，而Si来自于工具电极。对表面强化层进行线扫描能谱分析，从图 2中可以看到表面强化层元素含量分布较为均勻。表1电火花脉冲放电表面强化层的能谱分析结果(Weights )
权利要求
65Mn钢电火花表面强化工艺，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，强化参数为4.2μs≤脉宽＜7.5μs，脉宽脉间比为0.21～0.56；3.2A≤峰值电流＜14.2A；强化时间根据强化层厚度和表面粗糙度的要求选取15～25min。
2.按照权利要求1所述的65Mn钢电火花表面强化工艺，其特征是所述的强化参数为 脉宽4. 2 μ s，脉间18 μ s，峰值电流5. 6Α，强化时间15min。
全文摘要
本发明公开了65Mn钢电火花表面强化工艺，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，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；强化时间根据强化层厚度和表面粗糙度的要求选取15～25min。通过选择合适的参数，在65Mn钢表面形成非晶纳米晶强化层，强化层显微裂纹较少，显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性有了显著提高。
文档编号C21D1/09GK101967537SQ20101052798
公开日2011年2月9日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者宋夕超, 张建华, 张海宁, 董春杰 申请人:山东大学