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1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 论 文专 业: 材料成型及控制工程 班级学号: 0813-01 学生姓名: 指导教师: 二一三年六月天津职业技术师范大学本科生毕业论文H13钢电火花表面强化研究混粉准干式工作介质条件下Al粉粒度对H13钢组织与性能的影响 EDM surface hardening of H13 steel powder mixed quasi-dry conditions, the working medium Al powder particle size on the microstru
2、cture and mechanical properties of H13 steel effect专业班级:材料0813学生姓名: 指导教师: 学 院:机械工程学院 2013 年 6月摘 要本文采用混粉准干式电火花表面强化技术对H13钢进行了表面强化组织及性能的研究。在实验验过程中，添加粉末粒度为2.3 m和1.5 m的Al粉，通过调整电火花表面强化工艺参数，利用金相显微镜、扫描电镜对强化层表面和侧面的组织形貌、结合状况进行观察、分析，通过显微硬度仪对强化层表面进行检测，得到表面强化的最优参数，探索研究Al粉末粒度对混粉准干式电火花表面强化H13钢组织与性能的影响。研究表明，采用粒度为1.
3、5 m的Al粉，正极性加工放电参数为20.8 A、50 s、50 s时，强化层层组织较（2.3 m）致密、均匀，显微硬度较高；随着添加粒度增大，强化层的孔隙率增加，显微硬度降低；采用粒度为1.5 m的粉，显微硬度最高，达到1220 HV，强化层组织也较致密，这是混粉准干式电火花表面强化添加Al较理想的粒度。关键词：Al粉；粒度；混粉准干式；H13钢ABSTRACT In this paper, quasi-dry powder mixed EDM surface enhancement technology, the H13 steel microstructure and propertie
4、s of the surface strengthening research. In the experimental test procedure, add the powder particle size of 2.3 m and 1.5 m of Al powder by adjusting spark surface hardening process parameters, the use of optical microscopy, scanning electron microscopy and side reinforcing layer surface morphology
5、, combined with the observation status , analysis, microhardness tester right through the strengthening layer surface to detect surface hardening obtained optimal parameters, exploration and research Al powder size on quasi-dry powder mixed EDM surface hardening of H13 steel microstructure and prope
6、rties. Studies show that the particle size of 1.5 m of Al powder, a positive polarity discharge machining parameter is 20.8A-50 s-50 s, the strengthening layer compared to tissue (2.3 m) dense, uniform, high hardness; with the addition increase in grain size, the porosity of the reinforcing layer in
7、creases the microhardness decreased; using a powder particle size of 1.5 m, maximum microhardness, to 1220 HV, the reinforcing layer is more dense tissue, which is a dry powder mixed EDM surface quasi-adding Al to enhance the ideal size.Key Words：Al powder; granularity; powder mixed quasi-dry; H13 s
8、teel目 录1 综述11.1 课题背景11.2 H13钢的研究现状21.2.1 H13钢的成分分析21.2.2 H13钢的特性硬度分析21.2.3 H13钢的热处理工艺21.2.4 H13钢的性能及应用31.3 电火花表面强化处理41.3.1 国内外模具材料与表面处理技术概况41.3.2 模具表面强化技术41.3.3 电火花表面强化51.3.4 极性效应61.3.5 覆盖效应71.4 混粉准干式电火花加工81.5 电火花表面强化三大电参数91.6 YG8电极91.7 本文研究内容和目的102 实验112.1 实验条件112.1.1 实验设备112.1.2 实验材料112.1.3 实验参数12
9、2.2 实验过程122.3 微观组织观察132.3.1 强化层组织观察142.3.2 侧面强化层厚度观察142.4 硬度实验153 混粉准干式电火花表面组织与性能分析163.1 H13钢基体组织及性能分析163.2 添加1号Al粉混粉准干式H13钢组织及性能分析163.3.1 强化层组织形貌分析163.2.2 结合层分析183.2.3 显微硬度分析203.3 添加2号Al粉混粉准干式H13钢组织及性能分析203.3.1 强化层组织形貌分析203.3.2 结合层分析223.3.3 显微硬度分析243.4 添加1号与2号Al粉混粉准干式H13钢组织及性能对比253.4.1 强化层组织形貌分析253
10、.4.1 结合层分析253.4.3 显微硬度分析25结 论27参考文献28附录1：英文资料30附录2：中文翻译43致 谢541 综述1.1 课题背景H13是热作模具钢，在国际上广泛使用，其执行标准GB/T12992000。统一数字代号为A20502；牌号是4Cr5MoSiV1；合金工具钢简称合工钢，是在碳工钢的基础上加入合金元素而形成的钢种，H13钢就是这样一种合金工具钢1。由为它的热强度和硬度较高、耐磨性和韧性好，耐热疲劳性能较好，研究发现H13钢中含有较高含量的碳和钒，使它具有高的淬透性和抗热裂能力，耐磨性好，耐热性。此外，在温度较高时，它不仅还具有优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性，
11、而且还具有较好的强度和硬度，高的耐磨性和韧性。H13钢被广泛应用于制造各种锻模、热挤压模，以及铝、铜及其合金的压铸模1。在实际生产中研究发现：随着锻压冲压技术的发展，冲压机械能力的加大，尤其是在冲压一些形状复杂的工件，加工材料加工难度大时，模具承受的冲击载荷大，摩擦强烈，冷热循环造成应力集中，模具表面高温氧化，很容易出现磨损，崩裂，塌陷2，这些模具失效使模具寿命减少3。H13钢作为做常用的热作模具钢，在制造模具时硬度和强度相对较低，耐磨性较差，满足不了生成要求。因此我们必须对H13热作模具钢进行表面强化，提高耐磨性，提高模具的使用寿命3。当前针对热模具钢表面强化技术主要有化学热处理、表面涂覆处
12、理和表面加工强化处理这几种方法,其中电火花表面强化处理应用最为广泛4。目前，该工艺在国内外已用于刀具、模具、易磨损件等表面强化,强化后模具、易磨损件的使用寿命明显提高。电火花表面强化技术发展至今电火花表面强化是利用火花放电能量,它的强化原理是：在金属表面形成一层高硬度、高耐磨、抗腐蚀及热硬性好的合金强化层5。在近年来，在传统的电火花加工技术基础上，出现的一种电火花精加工新技术6,它的加工精度更高，速度更快，人们称之为混粉电火花加工技术。它以去离子水为工作介质，在去离子水中添加硅、铝、钨等导电性微细粉，金属粉末的加入改变了电火花加工的放电状态，提高了加工表面质量，微小裂痕明显减少，同时加工时间大
13、大缩短，显著提高了加工效率7。在一定范围内有效地缓解加工速度和加工表面质量之间的矛盾。混粉准干式电火花加工以去离子水雾为工作介质，去离子水雾中混有微细金属粉末，在加工过程中，去离子水雾喷在工具电极和工件之间，起到冲刷冷却作用，与此同时，雾中的金属粉末会发生融化与电极中其他元素发生化合反应，生成坚硬的化合物涂覆在工件的表面。经过混粉准干式电火花加工之后，工件的硬度相比基体提高一倍多，表面光整，耐腐蚀性和耐磨性大大提高，受到模具制造业的普遍重视5。本文主要从改变Al粉末粒度，电火花强化参数入手，以YG8为强化电极，以去离子水为加工介质，通过实验加工和数据图表比对的方法，通过对比研究在油中雾中不同电
14、火花加工参数对H13钢组织和性能的影响，观察组织，硬度测试，通过反复仔细的比对，从而得到规律性的结果，从数组参数中选出最优组参数，为添加金属粉末混粉准干式电火花表面强化H13钢尽快进入大规模实用阶段做好前期铺垫。1.2 H13钢的研究现状1.2.1 H13钢的成分分析H13钢是C-Cr-Mo-Si-V型钢，其碳含量及合金元素的种类是决定钢的性能的重要因素之一。H13钢在我国一般称作4Cr5MoVSi钢，属于铬系高强韧热作模具钢，此类钢碳质量分数为0.4%，铬质量分数为5%，钢的淬透性好，直径100 mm的棒材在空冷淬火时也可以完全淬透，又称其为空冷硬化热作模具钢1。化学成分（%）：C：0.32
15、0.45、S：i0.801.20、Mn：0.200.50、Cr：4.755.50、Mo：1.101.75、V：0.801.20、P小于等于0.030、S小于等于0.030。1.2.2 H13钢的特性硬度分析表1-1 H13钢物理性能表临界点（近似值）/C密度/(g/cm3)Ac1Ac2Ar1Ar2MsMf8609157758153402157.76温度/C20300500700弹性模量（E）/MP210000195000170000160000温度/C20100202002030020400205002060020700线膨胀系数（）(10-6 /C)9.110.311.512.212.813
16、.213.5温度/C20200500700导热率（）W/(cmC)0.310.300.290.281-2 H13钢力学性能热处理工艺/C抗拉强度/MP屈服强度/MP延伸率/%断面收缩率/%冲击韧度/Jcm-210001040油淬，580600回火160018001400180091245504050由于H13钢含有大量碳和钒，使得该钢具有高的淬透性，抗热裂能力，耐磨性好，具有良好的耐热性，韧性。在较高温度时具有较好的强度和硬度，高的耐磨性的韧性，优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性3。1.2.3 H13钢的热处理工艺H13钢的淬火、回火工艺见表1-3、表1-4。表1-3 H13钢的淬火工艺淬
17、火温度/C冷却硬度（HRC）介质介质温度/C冷却终温10201050油或空气20600室温5658表1-4 H13钢的回火工艺回火目的回火温度/C加热设备冷却回火硬度（HRC）消除应力、降低硬度20580熔融盐浴或空气炉空气47491.2.4 H13钢的性能及应用H13钢的热强度和硬度较高、耐磨性和韧性好，耐热疲劳性能较好，研究发现H13钢中含有较高含量的碳和钒，使它具有高的淬透性和抗热裂能力，耐磨性好，耐热性。此外，在温度较高时，它不仅还具有优良的综合力学性能和较高的抗回火稳定性，而且还具有较好的强度和硬度，高的耐磨性和韧性2。H13钢适宜用于制造冲击载荷大的锻模，热挤压模，精锻模；铝、铜及
18、其合金压铸模，还可用于制作军事用途和航空工业上的重要构件。1.3 电火花表面强化处理电火花加工（EDM）在机械制造行业已成为对工件进行精密加工的主要方法6。它起着重要的作用，在加工的模具，由钨碳化物或硬钢制造的模具。这种材料可以在高硬化状态下加工并且由热处理造成的扭曲是可以避免的。虽然电火花加工的材料腐蚀原理存在争议，被广泛接受的原理是在一定的绝缘接介质中通过在电极和工件之间放电将电能转化为热能。在加工过程中，为了避免电极溶解，绝缘介质的隔热是非常重要的。当电压升高到达到该间隙的击穿电压时，间隙被击穿而产生火花放电。两电极之间金属在这间隙中发生融化。成千上万次的火花放电累积，金属表面也不断被蚀
19、除，这样电极轮廓形状便可复制到工件上而达到加工的目的7。电介质的电阻影响的放电能量和放电时间。如果电阻低，早期的放电会发生。如果是大，在放电火花发生电前电容器将充电达到一个更高值。1.3.1 国内外模具材料与表面处理技术概况改革开放以来，国外各种先进的模具材料和表面处理技术的引入，我国在在模具材料开发和模具表面强化方面取得了重大突破5，主要表现在：（1）模具钢产量已居世界前列。（2）在冷作模具钢方面开发出了一批高性能的新钢种，如LD、ER5、65NB、GD钢等，这些钢种具有较高的强韧性，较高的耐磨性和良好的综合工艺性能6。在热作模具钢方面，结合国内资源研制了十几种新钢种，如性能优越的5CR。（
20、3）硬质合金和钢结硬质合金制造模具正在走向成熟。（4）广泛采用强韧化处理新工艺。如珠光体组织预处理工艺；细碳化合物和消除链状碳化物组织的预处理工艺；Cr12型冷作模具钢的低温淬火工艺，热作模具钢的中温回火（450 C）等，都显著提高了模具的综合性能和使用寿命。（5）表面处理技术有很大发展。以前主要采用传统的合金元素渗入提高模具的使用寿命，现在出现了各种涂覆技术。如热锻模具应用Ni-Co-ZrO2复合电刷镀，可提高模具寿命50%200%；采用化学沉积Ni-P复合涂层，硬度可达到7880 HV，耐磨性相当于硬质合金，对于填充玻璃纤维的塑压铸模有很好的效果7。虽然我国模具材料和表面处理技术有了较大的
21、进步，但是与发达国家相比还存在较大差距。1.3.2 模具表面强化技术众所周知，模具在使用过程中承受着各种形式的复杂应力。模具表面开始出现微小裂纹，随着使用时间推移，微小裂纹向外扩展延伸，出现模具的破裂。模具表面性能的优劣直接影响着模具的使用及寿命。模具表面强化处理目的：提高模具表面的硬度、强度、耐磨性、耐腐蚀性。几乎所有的表面处理以及表面处理方法均在模具表面处理上得到应用。目前已开发的适合模具表面强化的主要方法5见表1-5。表1-5 模具表面强化的主要方法不改变表面化学成分的方法改变表面化学成分的方法表面新形成覆盖层的方法1. 高频加热淬火1. 渗碳1. 镀金属2. 火焰加热淬火2. 渗氮2.
22、 堆焊3. 电子束相变硬化3. 渗硼3. 电火花强化4. 激光相变硬化4. 渗流4. 化学气相沉积（CVD）5. 加工硬化（如喷丸硬化）等5. 渗金属5. 物理气相沉积（PVD）等6. 复合渗（多元共渗）7. TD法8. 离子注入等1.3.3 电火花表面强化电火花表面强化原理：如图1-1所示。在工具电极和工件之间接上直流或交流电源，由于振动器的作用，使电极与工件之间的放电间隙频繁变化，工具电极与工件之间不断产生火花放电，从而实现对金属表面的强化。图1-1 是金属电火花表面强化加工原理图电火花表面强化是利用工具电极与工件间在气体中产生的火花放电作用，把作为电极的导电材料熔渗进工件表层形成合金化合
23、物的表面强化层8。强化层的性能取决于基体和电极材料，通常所用的电极材料有TiC、WC、Zr、NbC、Cr3C2,硬质合金等。电火花表面强化因电极材料的沉积发生有规律的胀大，除此之外工件没有其他变形工件中心部的组织与性能也不会发生改变，因此十分适用于模具的表面处理10。电火花表面强化发生了物理变化，主要包括超高速淬火，渗碳，电极材料的转移三个方面。（1） 超高速淬火 火花放电在工件表面极小面积上产生高温，使该处的金属熔化和部分汽化，当火花在极短的时间内停止后，被加热了的金属会以很快的速度冷却下来。这相当于对金属表层进行了超高速淬火。（2） 渗碳 来自石墨电极或周围介质的碳元素，熔解在受热而熔化的
24、铁中，形成金属碳化物，如碳化铁，碳化铬等。（3） 电极材料的转移 在操作压力和火花放电的条件下，电极材料转移到工件金属熔融表面，有关金属合金元素（钨，钛，铬等）快速扩散在金属的表面层。电火花强化层具有以下特性：（1）当采用硬质合金作为强化电极时，工件表面的强度硬度大大提高，综合力学性能改善明显；（2）用石墨电极材料强化45钢，用食盐水作腐蚀性试验时，其耐腐蚀性提高90%。用WC、CrMn作电极强化不锈钢时，耐腐蚀性提高35倍；（3）硬化层厚度约为0.010.08 mm。钢制模具工件表面的电火花强化，通常采用硬质合金电极。在加工之前一定要将工件和电极表面的灰尘等颗粒清洗干净。加工前将工具电极保持
25、适当的压力，沿着工件表面移动找平，确保加电火花加工过程中火花放电连接均匀12。电火花表面强化在模具上的效果显著13。例如用YG8作电极，对3Cr2W8V钢制模具进行电火花强化处理后，在各类酸碱中的耐腐蚀性提高415倍；对Cr12钢制定子双槽模刃口部位经电火花表面强化后，每次刃磨的平均使用寿命由5万次提高到20万次3。1.3.4 极性效应电火花加工时，两极的材料被腐蚀量是不同的，这种现象叫做极性效应15。如果两极材料相同，被腐蚀量也是不同的；如果两极材料不同，则极性效应就更加复杂。在生产中，通常将电极接脉冲电源正极、工件接脉冲电源负极的加工称为“正极性加工”，反之成为负极性加工15。在实际加工中
26、，极性效应应受到电参数、单个脉冲能量、电极材料、加工介质、电源种类等多种因素的影响13。在电火花加工过程中，必须充分利用极性效应，合理选择加工极性，以提高加工速度和减少电极损耗。表1-6 脉冲宽度与极性效应的关系两极该极产生的粒子离子的特性窄脉冲宽度的效应大脉冲宽度的效应正极（+）正离子正离子质量大，惯性大，在短时间内不容易获得较高的运动速度只有一小部分才能到达负极表面，而大量的正离子不能到达正离子有足够的时间到达负极表面，对负极表面的轰击破坏作用非常强负极（-）电子电子质量大，惯性大，在短时间内容易获得较高的运动速度大量的电子奔向正极，并轰击正极表面，使正极表面迅速熔化和汽化电子虽有足够的时
27、间到达正极表面，但对正极表面的轰击破坏作用并不强1.3.5 覆盖效应在电火花加工过程中，电蚀产物在两极表面转移，形成一定厚度的覆盖层，这种现象叫做覆盖效应15。电极在加工后，其加工部位产生一层褐色的覆盖层。合理的利用覆盖效应，有利于降低电极损耗，甚至可以做到“无损耗”加工。影响覆盖效应的主要因素：（1）脉冲能量与波形的影响 当增大放电加工能量有助于覆盖层的生长，但宽脉冲、大电流对中、精加工有相当大的局限性。减少脉冲间隔则有利于在各种规准下生成覆盖层，但间隔过小，则有转变为电弧放电的危险。采用某些组合脉冲，如矩形波派生出来的梳形波及各种叠加脉冲波形，也有助于覆盖层的生成。（2）材料组合的影响 铜
28、电极加工对钢时覆盖效应比较明显，但铜电极加工硬质合金却不容易生成叠加层。（3）工作介质的影响 油类工作液在放电产生的高温作用下，生成大量的碳粒子，有助于碳素层的生成。如果用水作为工作液，则不会产生碳素层。（4）工艺条件的影响 工作介质脏，介质处于液相与气相混合状态，间隙过热，放电在间隙空间分布较集中，电极截面大，电极间隙较小，加工稳定等，均有助于生成覆盖层。另外，间隙中工作液的流动对覆盖效应的影响也越大，如果冲油压力过大会破坏覆盖层的生成。混粉准干式电火花表面强化的机理就是利用电火花加工过程中的覆盖效应，使电极材料转移到工件表面，从而起到强化作用。在电火花加工过程中若放电参数选择不当，出现过覆
29、盖现象，影响加工尺寸，破坏了加工精度，起到相反的作用16。1.4 混粉准干式电火花加工混粉准干式电火花加工以去离子水雾为工作介质17，去离子水雾中混有微细金属粉末18，在加工过程中，去离子水雾喷在工具电极和工件之间，起到冲刷冷却作用，与此同时，雾中的金属粉末会发生融化与电极中其他元素发生化合反应，生成坚硬的化合物涂覆在工件的表面19。混粉电火花加工时，微粉在电场的感应下，将产生感应电荷19。这样，由于放电间隙中充满着更多的悬浮的粉末颗粒（图1-2），原先的电极与工件直接放电的单一放电通道将分为二、三，甚至更多的电火花通道，即由电极与微粉颗粒、微粉颗粒间、微粉颗粒与工件间同时形成火花放电通道，在
30、同一时间内形成串联的多个小放电通道放电，放电通道递增，使得微精加工时的单个脉冲放电能量在空间上被分割，进一步被细分为1/21/6或更小的脉冲能量，在工件表面可加工出更小的放电凹坑20。图1-2 混粉准干式电火花加工原理图混粉电火花加工的主要技术要求有：电火花加工机床精加工电路（具有极小的单个脉冲能量），选择合适的粉末添加剂，进行粉末添加剂的浓度管理，利用扩散装置来消除浓度的误差21。混粉电火花加工主要应用于复杂模具型腔，尤其是不便于进行抛光作业的复杂曲面的精密加工，可降低零件表面粗糙度值，省去了手工抛光工序，提高零件的使用性能（如寿命、耐磨性、耐腐蚀性、脱模性等）16。1.5 电火花表面强化三
31、大电参数电火花加工的三大电参数为峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔15。从理论上来说，这三大电参数决定了放电加工的能量，它们对加工生产效率、表面粗糙度、放电间隙、电极损耗、表面变质层、加工稳定性能等各方面的工艺效果有重要的影响。表1-7 三大电参数对工艺指标的影响 工艺指 标电参数加工速度电极损耗表面粗糙度值放电间隙值综合影响评价峰值电流 非常显著 显著 非常显著 非常显著非常显著脉冲宽度 显著 非常显著 显著 显著显著脉冲间隔 显著 不是很显著 不是很显著 不是很显著不是很显著峰值电流与电极上的负载电流一致。与脉冲宽度一起决定放电波形，并对加工速度、加工表面粗糙度、放电间隙、电极损耗比影响很大15
32、。所以，必须充分考虑电极材料、所需要的加工表面粗糙度、放电间隙、加工速度来进行设定。峰值电流越大，放电间隙值就越大，加工速度越高，表面粗糙度值也越大。另外，相同脉冲宽度下的点击损耗比也增大。加工面积小时，如果峰值电流设定太大，就会使电流密度过分提高，导致加工不稳定。所以，峰值电流必须根据加工表面积来进行设定。脉冲宽度设定了一个放电周期中放电的时间长短，即两个脉冲间有电流的时间。脉冲宽度对加工特性影响很大。脉冲宽度越短，放电间隙越小，电极损耗增大，表面粗糙度值增大，在进行低损耗加工的时后，把脉冲宽度设定大一些。脉冲间隔设定了一次放电结束到下次放电开始的时间长短，即两个脉冲间无电流的时间。此参数是
33、保证加工稳定性的一个重要参数，直接影响加工效率，对放电间隙和表面粗糙度没有太大影响21。脉冲间隙越长，排屑效果越好，但是加工速度降低了。减少脉冲间隔对提高加工速度有利，但容易导致加工不稳定，选择长些，出现加工不稳定时，延长脉冲时间是有效的。1.6 YG8电极YG8是钨钴类材料。耐磨性良好，使用强度和冲击韧性优于YG6。YG8高级制模材料。不经热处理，内、外硬度均匀一致。主要成分：是碳化钨（WC）和粘结剂钴（Co）。YG8，表示平均WCo=8%，其余为碳化钨的钨钴类硬质合金。化学成分: WC：92%,Co：8%力学性能：见表1-8。应用:主要用于线材，棒材加工用的拉制模。表1-8 YG8的力学性
34、能密度（g/cm3）硬度（HRA）抗弯强度（b/MPa）冲击韧性K/（J/cm2）14.514.98915002.51.7 本文研究内容和目的本文研究的内容是以H13钢作为实验基体，以YG8为强化电极，混粉准干式电火花进行表面强化，通过实验加工和数据图表比对的方法，研究混粉中在YG8强化电极材料下，电火花表面强化工艺参数对提高材料H13钢组织及性能的影响。首先研究H13钢在电火花常规工艺参数下它的微观组织和性能。然后改变电火花工艺参数，观察它的组织和性能的变化。得出最优参数后，进行混粉准干式电火花加工，依次加入如不同粉末粒度的Al粉，最后总结比对实验数据并得出相关结论。利用倒置万能材料显微镜、
35、扫描电子显微镜分析了试样的表面组织，通过显微硬度实验检测了强化层的硬度。本文研究的目的探索Al粉末粒度对混粉准干式电火花表面电火花表面强化H13钢组织和性能的影响，通过实验得出的结论，在生产模具的过程中加以运用粉末，提高H13钢的腐蚀性、耐磨性，强度硬度，更好的服务生产实践。2 实验2.1 实验条件2.1.1 实验设备本实验所用设备如表2-1所示。表2-1 实验设备序号设备名称设备型号备注1安德电火花成型机AF11002CNC快丝线切割机床AR12003扫描电子显微镜VEGA | SBH4研磨抛光机MP-2B5自动转塔数显显微维氏硬度仪402MVD6自制电火花喷粉装置如图2-1所示自制7硬质合
36、金电极夹具如图2-2所示自制 图2-1 电极夹具 图2-2 自制电火花喷雾装置2.1.2 实验材料试验材料：YG8电极，Al粉（2.3 m；1.5 m），H13钢试样，去离子水，自制混粉装置。2.1.3 实验参数表2-2 实验参数混粉准干式电火花表面强化（混Al粉）序号脉冲电流（A）脉冲宽度（us）脉冲间隔（us）粉末粒度（m）电极材料混粉浓度工作介质加工深度(mm)加工极性第1组18.250502.3 YG84 g/L雾0.1负极21450502.3 YG84 g/L雾0.1负极320.850502.3 YG84 g/L雾0.1负极第2组48.250501.5YG84 g/L雾0.1负极51
37、450501.5YG84 g/L雾0.1负极620.850501.5YG84 g/L雾0.1负极第3组78.250502.3 YG81 g/L雾0.1正极81450502.3YG81 g/L雾0.1正极920.850502.3 YG81 g/L雾0.1正极第4组108.250501.5YG81 g/L雾0.1正极111450501.5YG81 g/L雾0.1正极1220.850501.5YG81 g/L雾0.1正极2.2 实验过程备料：采用线切割机床将H13钢母材切割成10 mm10 mm4 mm的小型长方体，切割完成后，用粒度为400的砂纸研磨，直至试样的加工表面切割痕迹消失。电火花加工：（
38、1）工件、电极的装夹与校正。电火花机床（图2-3）加工将工件安装于工作台，使用百分表，对工件进行校正，首先使工件与磁力台的X轴平行，校正后磁力台加磁锁紧，防止在加工的过程中，工件出现移动，影响加工质量。（2）加工的定位。在实验中采用“四面分中”进行定位，这样可以保证加工表面的平整性，加工精度高，电极的覆盖面广，便于显微组织的观察和硬度测试。（3）在去离子水中混入Al粉，按照4 g/L的比例混合，搅拌均匀倒入塑料桶中。（4）打开喷雾装置，将喷雾装置抽水管放入Al混合液中，查看喷雾情况，调节雾的大小，将喷头固定好，是喷出的雾落在加工表面和电极之间。（5）电参数的配置。根据强化H13钢的要求，合理的
39、选择加工参数，实验中，我们主要考虑脉冲电流、脉冲宽度和脉冲间隔，加工深度。按照加工参数表格依次进行加工修改，加工深度统一定为0.1 mm。（6）加工过程的监控。在加工过程中及时查看加工情况，出现突发状况，按急停。加工完成后卸下工件，记录下加工时间，将试样表面擦拭干净装入试样袋，贴上标签注明加工参数。图2-3 电火花加工机床2.3 微观组织观察使用用扫描电子显微镜如图2-4所示，分别对4组试样进行显微组织和强化层厚度的观察。图2-4 扫描电子显微镜2.3.1 强化层组织观察操作步骤：（1）打开电源开关，启动电脑，打开扫描电镜的操作软件抽真空，泄真空（2）打开观察藏，将已强化的H13钢试样，使用导
40、电胶粘在试样托上，并放在支架上，通过紧固螺钉将试样锁死固定，关仓门。（3）调节放大倍数和调节清晰度，当图像较为清晰时，截取图片，分别在100倍、200倍、500倍、1000倍。注意在操作工程中放大倍数应由高到低依次调节，防止镜头撞到试样上，损坏电镜。（4）观察完毕，依次降低放大倍数，直到10倍左右，泄高压，泄真空，取出试样并迅速关闭仓门。2.3.2 侧面强化层厚度观察图流程：细磨磨抛光腐蚀电镜侧面强化层观察细磨：细磨是在一套粗细程度不同的金相砂纸上，由粗到细依次进行。首先，将砂纸放在玻璃板上，用手捏住试样，均匀用力向前推行磨制，当试样所磨的方向只有纵向条纹，没有横向条纹时，更换粒度大的砂纸。每
41、更换一号砂纸时，须将试样的研磨方向调转90，直至将上一号砂纸的磨痕全部消除为止。以此类推，直至在粒度最大的砂纸只有一个方向的条纹方可。砂纸的粒度分别为400、600、800、1000、1200、1400、1600、2000。抛光：将已磨好样的表面在抛光机（图2-5）上用抛光液进行抛光，先上粗抛，再上精抛，直到获得光亮的镜面为止。记住在抛光过程中要加抛光液，这样能更好的保证表面平整和没有划痕。图2-5 实验所用抛光机腐蚀：用浓度为4%的硝酸酒精溶液，对抛光后的的表面进行腐蚀。腐蚀的方法是：用试管吸取少量腐蚀剂滴在抛光表面上，等待180 s，腐蚀完毕后用清水冲洗，然后用酒精清洗，之后用吹风机吹干，
42、再在显微仪器上观察。强化层厚度测定操作同强化层组织观察一致。2.4 硬度实验我们使用的是自动转塔数显显微维氏硬度计（402MVD）。图2-6 自动转塔数显显微维氏硬度计测量过程：（1）打开自动砖塔数显显微硬度计开关，同时打开电脑，启动测量软件。（2）用户名登陆，进入软件界面，修改参数，试验力加载选择0.05 kg，试验力加载保持时间选择10 s,确保软件显示的加载力与数显硬度计上的加载力一致，选择手动测量，其他参数为默认。（3）将试样放到载物台上，让目镜对准试件。（4）点击软件视野按钮，转动鼠标中间滚轮，找到组织图像，单击右键选择自动对焦，使视野中出现清晰的显微组织图像。移动鼠标拖动箭头控制载
43、物台移动，找到质量较好的强化层，再次进行自动对焦，出现清晰的图像。（5）点击测量，压头自动旋转至试件上方，并向下移动在工件表面，加压，保压，卸载。（6）测量压痕对角线长度，自动计算硬度值，并显示在表格中。3 混粉准干式电火花表面组织与性能分析3.1 H13钢基体组织及性能分析本课题所研究的材料：图3-1为H13钢的原始组织图，原始组织为回火索氏体和回火托氏体，硬度为33.1 HRC。由图3-1中可以看出，该组织是铁素体加碳化物的珠光体类型组织，回火索氏体和回火托氏体的碳化物呈颗粒状。颗粒状的碳化物，应力集中小，使得H13钢微裂纹不易产生强度和硬度高，塑性韧性较好。图3-1 H13钢的原始组织3
44、.2 添加1号Al粉混粉准干式H13钢组织及性能分析3.3.1 强化层组织形貌分析图3-2为添加1号Al粉末（粒度2.3 m）不同参数下的表面显微组织的照片，放大倍数均为500X。其中，图3-2（a）、（c）、（e）所示的SEM加工极性为负极性，（b）、（d）、（f）加工极性为正极性。（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）放电电流次为8.2 A、8.2 A、14 A、14 A、20.8 A、20.8 A，脉冲宽度和脉冲间隔均为50 s。在图3-2（a）、（c）、（e）可以明显看出，在负极性加工条件下，强化表面凹凸不平，组织疏松，呈波纹状分散在基体表面，有大量的孔洞和颗粒状物生成，表面强化层不均匀，出现了烧结情况。伴随着电流的升高，强化层波形越来越规则，排列越来越紧密，均匀涂在基体上，表面趋于平坦，孔洞和颗粒状的飞溅逐渐减少，表面呈灰白光亮色。 （a）
