H13钢的电火花强化层制备技术的制作方法

本发明涉及热作模具钢的电火花强化层制备领域。

背景技术：

模具是工业生产中的重要工艺装备，在很大程度上决定着产品的质量、效益和新产品的开发能力。模具钢主要分为：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢3大类。热作模具钢主要用于制造在高温环境下工作的模具。在热作模具钢中，h13(4cr5mosiv1)钢是最具有代表性的新型模具钢，因具有优异的性能，被广泛用于制备热挤压成型模具等热作模具，其主要失效形式为磨损、高温氧化、腐蚀等，且这些缺陷大多从表面开始，如何提高其耐磨性、耐腐蚀等表面性能引起了研究人员的广泛关注。

常用的模具表面强化方法有：化学热处理、微弧氧化、离子注入、激光熔敷湿法电镀、堆焊、物理气象沉积法(pvd)、化学气象沉积法(cvd)、等离子体增强化学气相沉积（pecvd）等。每种处理方法都存在工艺复杂、设备昂贵或者强化层质量不高等缺陷。电火花表面强化技术作为电火花微细加工领域重要的延伸和拓展，因具有成本低、基体不变形，强化层耐磨耐腐蚀等优点，越来越多的被应用在模具表面强化。传统的电火花表面强化大都在有一定绝缘性能的液体介质中进行。尽管煤油被普遍认为是适合于电火花成形加工的工作介质，但是油类作为工作介质在加工过程中存在很多缺点，不符合绿色制造的理念。水基工作液下电极的损耗较低，工件表面粗糙度较好，工作液对人体和环境无污染。但水基工作液存在易锈蚀机床、蚀除量少、加工效率低等缺陷。并且由于工作液的气化及膨胀对熔化并转移到工件表面的电极强化材料有很强的冲刷作用，不利于沉积层的形成。

h13钢的电火花强化层制备技术，突破了以往单一介质条件下仅依靠电极材料与基体材料反应生成强化相的限制，利用准干式介质（气液混合）中混入强化粉末材料，实现强化材料、电极材料在高温下与基体材料进行反应，生成多相增强体，获得对h13钢更优的强化效果。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决目前h13钢的表面强化的问题，现采用电火花表面强化的方法，提出混粉准干式条件下获得高质量强化层的加工参数，制备出高硬度、耐磨强化层，具有低能耗、低成本、高质量的优点。

为了到达上述目的本发明采用的方案如下。

1）制备混粉介质。高压去离子水雾中混入al粉，al粉粒度为55～80um，浓度为20g/l。

2）对h13钢基体进行电火花强化加工。采用yg8电极，加工深度为0.1mm，放电电压为120v，峰值电流分别选择2.9a、8.2、14a、20.8a、30a，脉冲宽度为50us，脉冲间隔为50us。

3）不同电流下强化结果分析。随着峰值电流的增加，强化层表面质量越来越好，强化层显微硬度值随之增加，当峰值电流达到14a时，已可获得较好的强化层微观组织形貌。

4）不同脉冲宽度参数下强化结果分析。采用峰值电流为14a时，脉冲间隔为50us，脉冲宽度分别选取30us、50us、80us、100us，放电电压为120v，修整深度为0.1mm。脉冲宽度在30~50μs时，获得的强化层组织形貌及力学性能效果最好，进一步增加脉冲宽度值，强化层表面显微硬度虽然有所增加，但强化层微观组织内出现大量空洞甚至裂纹，影响其使用。

5）不同脉冲间隔参数下强化结果分析。峰值电流为14a，脉冲宽度为50μs，脉冲间隔分别为50us、100us、150us、210us。放电电压为120v，加工深度为0.1mm。当脉冲间隔小于150μs时，脉冲间隔的变化对强化层组织极其表面显微硬度没有明显的影响。达到150μs时强化层表面质量下降。

本发明的优点在于：在混粉准干式(雾状工作介质中混入al粉末材料)介质条件下对热作模具钢h13钢进行电火花强化，获得强化工艺的最佳电参数，电流为14a，脉冲宽度为=30-50μ，脉冲间隔小于150μs，形成质量较好的电火花强化层，平均显微硬度达到800hv以上。该技术对加工条件要求不高、成本低、绿色、高效，且具有可处理复杂零件、处理温度低、强化层质量好等优点。

附图说明：图1是该发明中，峰值电流14a，脉冲宽度50μs，脉冲间隔50us时强化层微观组织形貌；图2是该发明中，峰值电流14a，脉冲宽度50μs，脉冲间隔150us时强化层微观组织形貌。

具体实施方式：

实例1：

1）制备混粉介质。高压去离子水雾中混入al粉，为55～80um，浓度为20g/l。

2）将h13钢毛坯切割成10mm×10mm×6mm的长方体，表面进行打磨。

3）对h13钢基体进行电火花强化加工。在北京安德建奇数字设备有限公司生产的af1100数控电火花成型机上，采用yg8电极，加工深度为0.1mm，放电电压为120v，峰值电流分别选择2.9a、8.2、14a、20.8a、30a，脉冲宽度为50us，脉冲间隔为50us。

4）利用扫描电子显微镜和显微硬度计对第3）步实验结果进行组织性能检测，随着峰值电流的增加，强化层表面质量越来越好，强化层显微硬度值随之增加，当峰值电流达到14a时，强化层微观组织形貌已经较好，平均显微硬度可以达到800hv。

5）采用不同脉冲宽度对h13钢进行电火花强化加工。采用峰值电流为14a时，脉冲间隔为50us，脉冲宽度分别选取30us、50us、80us、100us，放电电压为120v，加工深度为0.1mm。

6）利用扫描电子显微镜和显微硬度计对第5）步结果进行组织性能检测，在脉冲宽度为30~50μs时获得的强化层组织形貌及力学性能效果最好，进一步增加脉冲宽度值，强化层表面显微硬度虽然有所增加，但强化层微观组织内出现大量空洞甚至裂纹，影响其使用。

7）采用不同脉冲间隔对h13钢进行电火花强化加工。采用峰值电流14a，脉冲宽度为50μs，脉冲间隔分别为50us、100us、150us、210us。放电电压为120v，加工深度为0.1mm。

8）利用扫描电子显微镜和显微硬度计对第7）步结果进行组织性能检测，当脉冲间隔小于150μs时，表面质量良好，如图1所示，为脉冲间隔等于50μs时，强化层微观组织形貌，平均显微硬度达到800hv以上。脉冲间隔的变化对强化层组织极其表面显微硬度没有明显的影响。然而达到150μs时，强化层表面质量下降，如图2所示，为脉冲间隔等于150μs时，强化层微观组织形貌。

技术特征：

技术总结
本发明公开了一种制备H13钢高硬度电火花强化层的技术。H13钢的高硬度电火花强化层制备技术，主要包括以下关键步骤：选择电极，制备混粉，确定最佳峰值电流、脉冲宽度和脉冲间隙值。本发明采用YG8硬质合金电极，混粉为高压去离子水雾中混入Al粉，Al粉粒度为55～80um，浓度为20g/L。加工峰值电流为14A，脉冲宽度为30~50μs，脉冲间隙为小于150μs，获得的强化层平均显微硬度达到800HV以上。该技术突破了单一介质条件下仅依靠电极材料与基体材料反应生成强化相的限制，实现强化材料、电极材料在高温下与基体材料进行反应，生成多相增强体，获得对H13钢更优的强化效果。该技术具有成本低、绿色、高效，且具有可处理复杂零件、处理温度低、强化层质量好等优点。

技术研发人员：王井玲;杨慧;李敏
受保护的技术使用者：天津职业技术师范大学
技术研发日：2016.12.26
技术公布日：2017.08.15