专利名称：超声振动辅助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勻，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. 2 μ s彡脉宽< 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15 25min，工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1 12 μ m，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. 2 μ s，脉间18 μ s，峰值电流5. 6Α，加 工时间15min ；工具电极的辅助超声振动超声振幅范围1 12 μ m，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勻 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勻致密的强化层。强 化层的显微硬度、耐磨性和表面Si含量均有所提高。
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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勻，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。
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， 6. 19) ； (b)fft% (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) 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) 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 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。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. 2 μ s，脉间32 μ s，峰值电流 11Α,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2 μ m、6 μ m、12 μ m，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
(a)fft% (C, 11. 6 ；Si, 未辅助超声振动，(b)
未辅助超声振动，(b)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. 2 μ S，脉间12. 8 μ S，峰值电 流14Α，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2 μ m、6 μ m、12 μ m, 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12μπι， 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65Μη钢，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。 设定电参数如下正极性加工，脉宽4. 2 μ S，脉冲间隔18 μ S，峰值电流5. 6Α，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2μπι、6μπι、12μπι，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12mmX12mmX0. 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
权利要求
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. 2μ s，脉间18μ s，峰值电流5. 6Α，强化时间15min ；工具电极的辅 助超声振动超声振幅范围1 12 μ m，频率范围15 60kHz。
全文摘要
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。
文档编号C21D1/09GK101967536SQ20101052800
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