超声振动辅助电火花放电表面强化技术及机理研究

论文摘要

电火花放电表面强化技术可以在普通电火花加工机床上实现,利用脉冲放电产生的热量使工具电极材料、工作液分解物和工件熔融材料在工件表面发生合金化反应形成强化层,其显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性等与基体相比均显著提高。但使用该技术形成的强化层存在厚度和成分分布不均匀等问题,并且利用固体电极、压结体或烧结体电极进行电火花放电表面强化处理时电极损耗严重,影响电火花放电表面强化的精度。本文研究在电火花放电表面强化过程中工具电极上附加超声振动的方法,可以改善和解决强化层厚度和成分分布不均匀的问题,还能进一步提高强化层的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。为了在形成电火花放电表面强化层的同时保证强化控制精度,本文采用Cu工具电极上附加超声振动的同时,在工作液中混入特殊粉末的方法,在工件表面形成性能良好的强化层,进一步扩大电火花放电表面强化技术的适用范围。对电火花放电表面强化机理进行深入研究,利用气体碰撞游离理论、气泡理论和杂质击穿理论分析电火花放电表面强化过程,并从工作液介质击穿、放电通道形成及能量分配、电极材料向工件表面迁移、强化层形成及极间消电离等阶段详细阐述。系统研究极性效应和电极材料选择对电火花放电表面强化层形成的影响,正极性强化条件和合适的电极材料是形成良好的强化层的前提。采用Si电极正极性表面强化处理65Mn钢,工件表面形成非晶纳米晶强化层,这是由于在正极性强化条件下,电子流高速轰击工件表面产生温度瞬时升高后急冷,具备形成非晶对过冷度的要求；而负极性强化条件下,由于正离子质量大、惯性大,其对工件的碰撞升温作用较弱,因此不具备形成非晶的条件。单脉冲电火花放电表面强化实验结果表明,放电点圆饼的直径随着脉冲能量的增大而增大,建立了单脉冲电火花放电表面强化放电点圆饼直径的实验回归模型。Si电极电火花放电表面强化处理65Mn钢形成的强化层由一层层圆饼叠加而成,选取合适的参数可以获得无裂纹、无气孔、化学成分分布均匀的强化层。强化层由白亮层、结合区、热影响层组成。白亮层上部为非晶纳米晶结构,下部与结合区间存在柱状晶,垂直于工件表面,柱状晶区域随脉冲参数的变化而变化,热影响层为高碳马氏体。建立了电火花放电表面强化层熔覆率和表面粗糙度模型,研究了强化层厚度、表面粗糙度以及表面和截面形貌随强化处理时间、放电脉冲宽度、脉冲间隔和脉冲放电峰值电流变化的规律。强化层厚度随放电脉冲宽度和峰值电流的增大而增大,在合适的脉冲间隔和强化处理时间取得最大值；强化层表面粗糙度值随放电脉冲宽度和峰值电流的增大而增大,超过一定参数值后工件表面出现微裂纹。对电火花放电表面强化层中是否存在非晶相进行了热力学理论预测。研究了电火花放电表面强化层的性能,强化层的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀与基体材料相比显著提高,强化层与基体之间呈现良好的冶金结合。提出并系统研究了超声振动辅助电火花放电表面强化技术,系统研究其原理和超声振动对电火花放电表面强化过程的影响。超声振动改善极间放电间隙状态,引起电场强度的急剧变化,降低击穿延时,更容易形成放电通道；超声振动增大放电爆炸力和降低工具电极等效硬度,加速工具电极消耗,使参与合金化反应的工具电极材料增加；超声振动加速熔融物在极间的运动,促进其高速迁移到工件表面发生合金化反应。系统研究了超声振动振幅和频率对强化层表面形貌和性能的影响。在低频率小振幅条件下,超声振动效应弱：在高频率小振幅条件下,强化层厚度分布均匀,无裂纹、气孔等缺陷。在中频条件下,强化层表面的粗糙度值和Si含量较低,随超声振幅的增大而增大；在低频条件下,强化层厚度低,随超声振幅的增大而减小。在高频大振幅条件下,形成的强化层表面清晰,但是有较多褶皱。工具电极附加参数合适的超声振动,使表面强化层的厚度和化学成分分布更加均匀、强化层微裂纹和气孔减少、强化相数量增加、Si含量提高、强化表面的显微硬度和耐磨性提高。提出并系统研究了超声振动辅助混粉电火花放电表面强化技术,其单脉冲放电强化过程可分为工作液介质电离和粉末极化、介质击穿及放电通道形成、粉末爆炸参与合金化反应、强化层形成及极间消电离四个阶段,混入工作液中的粉末有利于形成串联放电,放电通道内及其周围的粉末在热能作用下分裂成小颗粒或液化气化,在超声振动作用下迁移到工件表面发生合金化反应形成强化层。理论分析和实验研究混粉浓度、脉冲放电参数、超声振幅对强化层形成的影响。在混粉浓度60g/l、放电脉冲宽度24μs、脉冲间隔42μs、脉冲放电峰值电流2.4A、超声振幅2μm条件下可以形成分布均匀的强化层,XRD和EDS分析结果表明工作液中混入的粉末分布在强化层中。系统研究了不同参数条件下强化表面质量和耐磨性,在低脉冲放电能量、小振幅超声振动和一定混粉浓度条件下可以使粉末渗入工件表面形成表面粗糙度值较低的强化层,强化表面的摩擦系数下降,耐磨性大幅度提高。放电脉冲峰值电流或超声振幅过大,降低表面强化的效果。低脉冲放电能量下超声振动辅助混粉电火花放电表面强化研究结果表明,低脉冲能量和辅助小振幅超声振动条件下获得的强化层表面无裂纹、气孔等缺陷,粉末含量高,表面粗糙度值低,耐磨性提高。如果脉冲能量过大,附加超声振动后强化层的质量和性能下降。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 电火花加工技术的发展趋势
• 1.2 表面处理技术
• 1.2.1 离子渗氮和渗碳
• 1.2.2 电火花沉积
• 1.2.3 气相沉积
• 1.2.4 高能束表面改性
• 1.2.5 激光表面熔覆和合金化
• 1.2.6 等离子喷涂
• 1.3 电火花放电表面强化的研究现状
• 1.3.1 液中电火花放电表面强化
• 1.3.2 气中电火花放电表面强化
• 1.4 超声加工技术研究现状
• 1.4.1 超声加工
• 1.4.2 超声电火花复合加工
• 1.4.3 其它超声振动辅助加工
• 1.4.4 超声振动在金属凝固中的应用
• 1.5 混粉电火花加工研究现状
• 1.6 课题研究的目的和意义
• 1.7 课题来源及主要研究内容
• 第2章 实验材料与方法
• 2.1 实验材料
• 2.2 实验方法
• 2.2.1 实验设备
• 2.2.2 强化层制备
• 2.3 强化层组织结构和性能分析
• 2.3.1 组织形貌
• 2.3.2 相结构
• 2.3.3 强化层成分
• 2.3.4 表面粗糙度
• 2.3.5 强化层厚度
• 2.3.6 显微硬度
• 2.3.7 强化层与基体的结合力
• 2.3.8 耐磨性
• 2.3.9 耐腐蚀性
• 2.4 本章小结
• 第3章 电火花放电表面强化机理研究
• 3.1 前言
• 3.2 电火花放电表面强化原理
• 3.3 实验研究
• 3.3.1 电火花放电表面强化
• 3.3.2 单脉冲电火花放电表面强化
• 3.4 液中电火花放电表面强化机理
• 3.4.1 工作液介质击穿
• 3.4.2 放电通道形成及能量分配
• 3.4.3 电极材料向工件表面迁移
• 3.4.4 强化层形成及极间消电离
• 3.5 本章小结
• 第4章 电火花放电表面强化工艺研究
• 4.1 前言
• 4.2 电火花放电表面强化层熔覆率模型
• 4.3 电火花放电表面强化层表面粗糙度模型
• 4.4 电火花放电表面强化实验设计
• 4.5 强化参数对强化层厚度和表面粗糙度的影响
• 4.5.1 强化处理时间
• 4.5.2 放电脉冲间隔
• 4.5.3 放电脉冲宽度
• 4.5.4 脉冲放电峰值电流
• 4.6 Fe-C-Si非晶合金形成范围热力学预测
• 4.6.1 Fe-C-Si三元合金判据模型
• 4.6.2 Fe-C-Si三元合金判定
• 4.7 电火花放电表面强化层性能
• 4.7.1 显微硬度
• 4.7.2 强化层与基体的结合力
• 4.7.3 耐磨性
• 4.7.4 耐腐蚀性
• 4.8 强化层性能工艺参数优化
• 4.8.1 正交试验设计
• 4.8.2 正交试验分析
• 4.9 本章小结
• 第5章 超声振动辅助电火花放电表面强化研究
• 5.1 前言
• 5.2 超声振动辅助电火花放电表面强化原理
• 5.3 超声振动辅助电火花放电表面强化实验
• 5.4 超声振动辅助电火花放电表面强化机理
• 5.4.1 超声效应
• 5.4.2 超声效应的影响因素
• 5.4.3 超声振动对放电通道的影响
• 5.4.4 超声振动改善极间放电间隙状态
• 5.4.5 超声振动对极间电场的影响
• 5.4.6 超声振动对工具电极损耗的影响
• 5.4.7 超声振动对熔融物的加速作用
• 5.4.8 超声振动对合金化反应过程及消电离的影响
• 5.5 超声振动参数对电火花放电表面强化层的影响
• 5.5.1 实验设计
• 5.5.2 强化层表面微观分析
• 5.5.3 强化层截面形貌
• 5.5.4 强化层表面粗糙度
• 5.5.5 强化层厚度
• 5.5.6 强化层表面硅含量
• 5.5.7 强化层显微硬度
• 5.5.8 强化层耐磨性
• 5.6 本章小结
• 第6章 超声振动辅助混粉电火花放电表面强化技术及机理
• 6.1 前言
• 6.2 超声振动辅助混粉电火花放电表面强化原理
• 6.3 超声振动辅助混粉电火花放电表面强化实验
• 6.4 超声振动辅助混粉电火花放电表面强化单脉冲强化过程
• 6.4.1 工作液介质电离和粉末极化
• 6.4.2 介质击穿及放电通道形成
• 6.4.3 粉末爆炸参与合金化反应
• 6.4.4 强化层形成及极间消电离
• 6.5 强化过程影响因素分析
• 6.5.1 混入粉末
• 6.5.2 超声振动
• 6.5.3 放电脉冲能量
• 6.6 强化处理参数对表面强化层的影响
• 6.6.1 实验设计
• 6.6.2 强化处理参数对强化层微观形貌的影响
• 6.6.3 强化处理参数对强化层摩擦磨损性能的影响
• 6.6.4 低脉冲放电能量表面强化实验
• 6.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文和申请的专利
• 致谢
• 英文论文
• 学位论文评阅及答辩情祝表