超聲輔助混粉電火花加工7Cr13Mo鋼試驗研究

張威，李麗，邵杰，王寧，任建華，劉憲福

超聲輔助混粉電火花加工7Cr13Mo鋼試驗研究

張威1，李麗1，邵杰2，王寧1，任建華1，劉憲福1

（1.山東理工大學 機械工程學院，山東 淄博 255000；2.濟南黃河河務局供水局，濟南 251000）

利用超聲輔助混粉電火花加工（Ultrasonic-assisted Powder Electrical Discharge Machining, US-PMEDM）對7Cr13Mo鋼進行表面改性研究。用US-PMEDM和傳統電火花加工（Electrical Discharge Machining，EDM）對7Cr13Mo鋼分別進行表面改性研究。采用掃描電子顯微鏡（SEM）對試樣表面的表面形貌和重凝層進行分析，用TR200粗糙度測量儀和FM800型顯微硬度儀分別測量加工試樣的粗糙度和表面硬度。和常規電火花加工相比，US-PMEDM加工表面更加平整，裂紋減少。隨著脈沖寬度的增加，放電凹坑變得大而淺，當脈沖寬度增加到120 μs時，裂紋數量增加。隨著峰值電流的增加，US-PMEDM重凝層的連續均勻性變差，但隨著脈沖寬度的增加，重凝層更加致密、均勻，與基體結合良好，厚度增加到10.30 μm以上。US-PMEDM加工表面粗糙度隨脈沖寬度和峰值電流的增加均增加，與電火花加工相比，相同放電參數下，其表面粗糙度降低，最大降低40%左右。隨著峰值電流的增加，US-PMEDM的顯微硬度增加，隨脈沖寬度的增加，其顯微硬度先增加后降低。與電火花加工相比，US-PMEDM的顯微硬度提高約50%。用超聲輔助混粉電火花復合加工改善了放電環境，使表面質量和表面硬度均得到提高。

7Cr13Mo鋼；超聲輔助混粉電火花加工；表面粗糙度；重凝層；表面改性

7Cr13Mo鋼是一種馬氏體不銹鋼，具有良好的機械性能，因其較高的強度、耐腐蝕性等特點，被廣泛應用于航空航天的發動機周圍排氣通路等零件、汽輪機葉片、醫療器械和餐具等領域[1-3]。但是馬氏體不銹鋼在惡劣條件下存在加工困難、耐磨性差等缺點[4]。針對這一問題，通過電火花加工對7Cr13Mo鋼進行表面改性處理，提高其使用性能。電火花加工利用工具電極和工件電極之間的脈沖性腐蝕放電來蝕除多余的金屬，可以加工難加工材料，但是電火花加工后，工件表面粗糙度大，材料去除率低，容易發生拉弧和短路，加工效率低[5]。采用混粉電火花加工或者超聲電火花加工技術來改善電火花加工的缺點。混粉電火花加工中加入導電或者半導電的微細粉末可以降低工作液的絕緣強度，增大放電間隙，使放電分布更加均勻，從而提高加工效率，得到較好的表面質量[6-8]。在電火花加工中引入超聲振動后，超聲的空化、渦流和泵吸作用加快工作液的循環，有利于電蝕產物的排出，減少不正常放電的拉弧和短路現象，提高了加工效率[9-10]。為了進一步改善表面質量、提高加工效率，采用超聲輔助混粉電火花復合加工，通過在工作液中加入一定濃度的導電粉末，可以增大放電間隙，提高表面質量[11]，同時超聲振動的空化、泵吸與渦流作用可以減少粉末的沉積，加快工作液的循環流動，改善放電環境[12]，將超聲電火花與混粉電火花2種加工方式相結合可以達到1+1>2的效果。

目前，國內外學者在超聲輔助混粉電火花復合加工方面進行了大量的試驗研究。趙玉田等[13-14]設計了一套工具電極超聲振動裝置，將混粉電火花加工和工具電極超聲混粉電火花加工進行對比實驗，研究發現工具電極超聲振動對混粉電火花加工有積極作用，減少粉末的沉積和改善了放電環境，使材料去除率提高30%。丁磊等[15]將超聲振動加在工件電極上，分別用混粉電火花加工和超聲混粉電火花加工在TC4合金上加工一定深度。結果表明，超聲混粉電火花加工的效果更好，表面粗糙度降低。呂傳偉等[16]探究超聲振動對混粉電解電火花銑削加工表面質量的影響。結果表明，在混粉電解電火花加工中，超聲振動可以使粉末混合均勻的同時又能改善加工表面質量。Behnam Khosrozadeh等[17]探究電火花加工和混粉電火花加工、超聲電火花加工和超聲混粉復合電火花加工對Ti-6Al-4V表面完整性和殘余應力的影響，研究發現同等參數條件下，超聲混粉復合電火花加工的表面粗糙度最高，材料去除率較高，加工表面裂紋少。

綜上所述，在超聲混粉電火花復合加工中，研究者主要以工具電極超聲振動為主，對微觀表面形貌缺少進一步的探究。將超聲振動加到工具電極上，超聲振動裝置質量較大會對主軸的進給精度產生一定的影響，如果將超聲振動加到工件電極上，減少對主軸進給精度的影響，可以更好地發揮超聲振動的優勢。

本研究將超聲振動加載到工件電極上，采用超聲輔助混粉電火花加工方法對7Cr13Mo鋼進行表面改性，其中工作液中所添加的混粉為具有良好導電性的TiC粉末，系統探究了電火花主要放電參數峰值電流和脈沖寬度對表面形貌、表面粗糙度和顯微硬度的影響。

1 實驗

本實驗使用的機床為DM71系列精密電火花成型機床，在機床工作臺上，設計了工件超聲振動裝置，使工件在豎直方向做超聲振動，其中超聲振動頻率為20 kHz，振幅為2 μm，實驗裝置示意圖如圖1所示。在常規電火花加工的基礎上，在工作液中混入10 g/L的TiC粉末，根據研究團隊前期的研究，當TiC粉末的質量濃度為10 g/L時，加工后的表面質量達到最佳[18]。為了防止粉末不能均勻地混合在工作液中而影響加工效果，在工作臺上安裝磁力攪拌裝置并對工作液進行攪拌。

圖1 超聲輔助混粉電火花加工裝置示意圖

本實驗探究了峰值電流、脈沖寬度對超聲輔助混粉電火花加工7Cr13Mo鋼的影響，并與傳統電火花加工進行了對比。其中磁力攪拌器的轉速是1600 r/min，脈沖間隔為80 μs，間隙電壓為60 V，其余加工參數如表1所示。實驗材料為7Cr13Mo鋼，尺寸大小為10 mm×10 mm×5 mm。工具電極是尺寸為16 mm× 150 mm的紫銅，實驗材料的物理性能參數如表2所示。

表1 加工實驗參數

Tab.1 Experimental parameters

表2 實驗材料的物理參數

Tab.2 Physical parameters of the test materials

利用荷蘭FEI公司的Sirion200型掃描電子顯微鏡對加工后試樣的表面形貌與截面形貌進行觀察。在觀察截面形貌前，先對試樣進行鑲嵌、打磨與拋光處理，接著用HF、HNO3和水（10 mg∶20 mg∶70 mg）配制的混合溶液腐蝕5 s，清洗烘干后用SEM進行觀察。用中國時代集團的TR200型粗糙度測量儀對試樣進行粗糙度測量，隨機取不同位置測量5次并取平均值。用日本Future-Tech公司的FM800型顯微硬度儀測量表面硬度，其中加載載荷為100 g，加載時間為15 s。

2 結果及分析

2.1 表面形貌分析

圖2為不同峰值電流下7Cr13Mo鋼US-PMEDM的表面形貌，從圖可以看出，加工表面的放電蝕坑由多個放電凹坑和凸邊組成，其中放電凹坑形成的原因是脈沖放電對試樣表面的連續沖擊，在試樣表面蝕除一小部分金屬，最終形成放電凹坑。放電凹坑的大小隨峰值電流的變化而變化。表3為隨機測量的不同峰值電流下10個放電凹坑的直徑及其平均值。當峰值電流為1.5 A時，放電凹坑直徑約為42.5 μm，且相鄰放電凹坑邊界不明顯，當峰值電流增大到4.5 A時，放電凹坑直徑約為81.5 μm，隨著峰值電流增大到9 A，放電凹坑直徑進一步增加到100.5 μm，且相鄰放電凹坑邊界清晰，這是由于脈沖能量隨峰值電流的增加而增大，對試樣表面的沖擊力增大，使放電凹坑直徑變大而深[19]，但是工作液中的TiC粉末增大了放電間隙，減小了單位放電密度，使電火花能量更加均勻地分布在加工表面[20]，同時超聲振動改善放電環境，使放電更加穩定，兩者共同作用使試樣表面放電凹坑變得大而淺。對比圖2a和圖2b，圖2b中有較多的熔滴，這是由于隨著峰值電流的增加，放電通道內的溫度升高，使更多的加工材料熔化、汽化，工作液的冷卻作用使汽化的材料重新凝固在試樣表面。

峰值電流為4.5 A時，US-PMEDM的加工試樣在不同脈沖寬度下的表面形貌見圖3。從圖3中可以觀察到，脈沖寬度為15 μs時，放電凹坑周圍電蝕產物多，當脈沖寬度增加到60 μs時，放電凹坑邊界的電蝕產物減少，加工表面質量變好，這是由于增加脈沖寬度，延長放電加工時間，超聲空化作用產生的沖擊波促進了電蝕產物的拋出，減少電蝕產物的積累。當脈沖寬度繼續增加到120 μs時，裂紋數量增加，這是因為放電加工時間變長，但工作液的冷卻時間是固定的，雖然有超聲振動的空化和泵吸作用來加快工作液的流動性，降低試樣和工作液的溫度差，減少熱應力，但是加工時間過長產生的熱量較多，熱應力仍然超過試樣表面的極限拉伸強度，導致裂紋增多。同時，可以看到圖3c加工表面有微孔，這是由于隨著脈沖寬度的增大，放電通道擴張，放電能量只能熔化金屬卻沒有足夠的能量將熔融材料拋出，熔融材料在表面上重新凝固，放電通道內的氣體來不及析出，從而形成微孔。

圖2 不同峰值電流下超聲輔助混粉電火花加工的表面形貌

表3 不同峰值電流下的放電凹坑直徑

Tab.3 The diameter of discharge craters at different peak current

圖3b和圖3d分別為相同加工參數下7Cr13Mo鋼經超聲輔助混粉電火花加工和電火花加工后的表面形貌，可以看到，超聲輔助混粉電火花加工的表面更加平整，放電凹坑邊界比較清晰，熔融狀物質積聚更少，微裂紋的數量減少。這是因為TiC粉末的加入，增大了放電間隙，等離子放電通道變粗，能量分布更加均勻，使試樣上的單位面積放電能量減小，同時超聲振動增大工作液和TiC粉末的流動性，避免粉末沉積引起的短路和拉弧放電，改善了放電環境，在相同時間內有更好的冷卻效果，在表面形成較少的顯微裂紋。一定頻率的超聲振動有利于電蝕產物的拋出，減少熔融材料的積聚[21]，因此在導電粉末和超聲振動的雙重作用下，加工表面更加光滑平整。

圖4為相同參數的電火花加工與超聲輔助混粉電火花加工的表面裂紋寬度。裂紋的產生是由于電火花加工過程中驟冷驟熱的溫度變化，誘發應力產生從而導致試樣表面形成裂紋[22]。從圖4中可以觀察到，US-PMEDM加工的裂紋寬度約為280.70 nm，而電火花加工下的表面裂紋寬度高達1.17 μm，超聲輔助混粉電火花的裂紋更窄，這是因為TiC粉末的加入增加了放電通道直徑的大小，使放電通道能量密度分布更加均勻，進而作用于工件表面的溫度梯度減小，從而改善了表面的熱應力，同時超聲振動加快工作液的循環流動，流動的工作液在帶走加工碎片的同時也帶走試樣表面的部分熱量，相同放電時間內有更好的冷卻效果，因而表面裂紋寬度減小。

圖3 不同脈沖寬度下超聲輔助混粉電火花加工和常規電火花加工的表面形貌

圖4 超聲輔助混粉電火花加工和電火花加工的裂紋寬度

2.2 重凝層形貌分析

圖5a和圖5b是脈沖寬度為15 μs時不同峰值電流下超聲輔助混粉電火花加工的截面形貌。由圖5可知，試樣表層截面主要由重凝層與基體組成[23]。當峰值電流為1.5 A時，重凝層的厚度變化不明顯，為連續的帶狀，隨著峰值電流增加到9 A，重凝層厚度的變化范圍顯著，短而厚的重凝凸起之后有長而薄的重凝層，因此重凝層的連續性變差。Lee等人[24]也有相同的結論，大電流導致重凝層的厚度差異明顯。這是由于當峰值電流較小時，由于放電能量小，加工試樣熔融后的材料相對均勻地重新凝固在表面，隨著峰值電流增加，放電分布不均勻，不同位置熔融蝕除的材料量不同，因而重凝層的均勻連續性變差，尤其是當峰值電流增加到9 A時，重凝層的厚度差異顯著，這可能是由于放電能量大，放電分布不均勻導致的[25]。

圖5 不同峰值電流下超聲輔助混粉電火花加工的截面形貌

圖6a、圖6b是峰值電流為4.5 A時不同脈沖寬度的截面形貌，可以看出，當脈沖寬度為15 μs時，重凝層厚度的變化范圍為2.25～6.28 μm，隨著脈沖寬度增加到120 μs，重凝層厚度增加，其變化范圍為8.62～ 10.30 μm。隨著脈沖寬度的增加，重凝層的厚度增加且連續均勻，這是由于隨著脈沖寬度的增加，單次脈沖放電能量增加，熔化的金屬也增多，但脈沖寬度過大會使放電通道擴張，從而導致放電點發散，放電能量只能熔化金屬卻沒有足夠的壓力將材料大量去除[26]，因此熔融材料在表面上重新凝固，形成較厚的重凝層。

圖6a和圖6c為同等參數下超聲輔助混粉電火花加工和常規電火花加工7Cr13Mo鋼的截面形貌，對比發現，電火花加工的重凝層厚度變化不均勻，出現從加工表面開始延伸到基體的裂紋缺陷。超聲輔助混粉電火花加工的重凝層均勻連續，組織致密，未發現明顯裂紋，其平均厚度約為9.52 μm。圖7為圖6b和圖6c的顯微形貌局部放大圖，可以觀察到超聲輔助混粉電火花加工后的晶粒比電火花加工后的細小，后者為粗大的柱狀晶。這是因為電火花中由于工作液的流動性差，熔融材料的冷卻速度慢，形成粗大的柱狀晶。但是超聲輔助混粉電火花加工中，超聲振動促進TiC粉末在工作液中均勻分布，同時改善了放電環境，提高了工作液的流動性，使重凝層內的熔融材料得到快速冷卻，形成細小的柱狀晶。

圖6 不同脈沖參數下電火花加工和超聲輔助混粉電火花加工的截面形貌

圖7 電火花加工和超聲輔助混粉電火花加工的截面形貌組織

2.3 表面粗糙度分析

圖8為普通電火花加工與超聲輔助混粉電火花加工在不同工藝參數下的表面粗糙度。圖8a展示了當脈沖寬度為15 μs時不同峰值電流與表面粗糙度的關系。可以看出，隨著峰值電流的增加，電火花加工和超聲輔助混粉電火花加工的表面粗糙度都增大。這是由于單次放電脈沖能量隨峰值電流的增加而增加，在試樣表面形成的放電凹坑大而深。對比同一參數下2種加工方式的表面粗糙度值，可以觀察到超聲輔助混粉電火花加工的表面粗糙度值低于同等參數下的電火花加工，這主要是由于TiC粉末改善了放電條件，放電能量被分配到更大的試樣表面，細化了放電能量，使放電凹坑直徑變大，超聲振動促進了電蝕產物的拋出，減小了加工表面的不平度，這與2.1節表面形貌分析相一致。試樣加工表面形成大而淺的放電凹坑，因而其表面粗糙度低于普通電火花試樣的表面粗糙度。

圖8b為峰值電流為4.5 A時不同脈沖寬度與表面粗糙度的關系，可以看出，隨著脈沖寬度的增加，超聲輔助混粉電火花加工的表面粗糙度增加但是增加較為平緩。這是因為隨著脈沖寬度的增加，放電能量增加導致熔化的金屬增多，但放電通道擴張，放電點發散，放電能量只能熔化金屬卻沒有足夠的壓力將材料大量去除，部分熔融材料重新凝固在表面，使表面粗糙度增加，但是TiC粉末的加入增大放電間隙，使放電通道擴張，能量密度減小，熱量分布更易分布在表層，使放電凹坑變得大而淺，同時超聲振動使放電位置更加隨機，改善放電環境，超聲空化作用減少電蝕產物的積累，試樣表面質量變好，因此其表面粗糙度值比常規電火花加工的低。由前文可知，超聲輔助混粉電火花加工的重凝層薄，因而降低溫度梯度變化，減少了表面裂紋的產生，表面質量變好。從圖8b可以看出，超聲輔助混粉電火花加工的表面粗糙度最大降低約40%。

圖8 加工參數與表面粗糙度的關系

2.4 顯微硬度分析

圖9為普通電火花加工與超聲輔助混粉電火花加工在不同工藝參數下的顯微硬度，對比發現，同等參數下超聲振動輔助混粉電火花加工的硬度均高于電火花加工，最大提高50%左右。這是由于加工過程中，放電能量增加，放電溫度迅速升高，導致熔化汽化的材料增多，但超聲振動和導電性粉末的存在促進工作液循環，迅速降低工件表面的溫度，使重凝層在冷卻的工作液中被快速淬火[27]，熔融層發生相互熔滲和擴散。由2.2節可知，超聲輔助混粉電火花加工后的晶粒比電火花加工后的更細小，晶粒得到細化和強化，并且超聲振動的沖擊力使TiC粉末顆粒沖擊到試樣表面，起到固溶強化的作用，因此硬度會提高。

圖9a是峰值電流與顯微硬度的關系。從圖9a可以看出，隨著峰值電流的增加，電火花加工試樣的顯微硬度增加緩慢，但是超聲輔助混粉電火花加工試樣的顯微硬度隨著峰值電流的增加而快速增加，當峰值電流為9 A時，表面顯微硬度高達1189HV。這是因為隨著峰值電流的增加，放電能量增加，增強了淬火強度和固溶強化效果，使US-PMEDM加工的顯微硬度快速增加。

圖9b是脈沖寬度與顯微硬度的關系。從圖9b可以看出，隨著脈沖寬度的增加，電火花加工和超聲輔助混粉電火花加工的硬度都是先增加后降低，當脈沖寬度增大到120 μs時，顯微硬度較低，這是因為隨著脈沖寬度的增加，放電能量增加，熔化氣化的金屬也增多，但脈沖寬度增加會使放電通道擴張，放電點發散，放電能量只能熔化金屬卻沒有足夠的壓力將材料大量去除，大量熔融材料堆積在表面導致冷卻速度變慢并且不均勻，從而導致硬度下降。

圖9 加工參數與顯微硬度的關系

3 結論

1）US-PMEDM加工表面比常規電火花加工表面更加平整，放電凹坑邊界較清晰，熔融物積聚更少，顯微裂紋的數量減少。

2）同等參數下，US-PMEDM加工試樣的重凝層比電火花加工的試樣厚，且更均勻。在US-PMEDM加工中，隨著峰值電流的增加，重凝層的連續均勻性變差，脈沖寬度對重凝層的影響大，其厚度隨脈沖寬度的增加而增加。

3）隨著峰值電流和脈沖寬度的增加，常規電火花和US-PMEDM加工試樣的表面粗糙度都會升高，但在相同條件下，US-PMEDM加工試樣的表面粗糙度比常規電火花加工的低，最大可降低40%。

4）同等參數下US-PMEDM加工試樣的硬度均高于電火花加工，最大可提高50%。

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Experimental Study of 7Cr13Mo Steel by Ultrasonic-assisted Powder EDM

1,1,2,1,1,1

(1. School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255000, China; 2. Water Supply Bureau, Yellow River Administration Bureau of Jinan City, Jinan 251000, China)

In this study, the ultrasonic-assisted powder electrical discharge machining (US-PMEDM) process was applied to investigate the machining performance and surface modification of 7Cr13Mo steel. The machining parameter such as peak current and pulse duration was varied to explore their effects on surface morphology, surface roughness and micro hardness, compared with these of EDM process. The ultrasonic vibration adhered to the workpiece with TiC powder suspended in the dielectric. The surface morphology and the cross section morphology of the machined surfaces were observed by scanning electron microscope (SEM). Surface roughness was measured by TR200 roughness device with five different positions, and the FM800 vickers hardness tester was used to measure the micro hardness. The results showed that the US-PMEDM process has better surface quality with fewer micro cracks as compared with that of EDM process. As pulse duration increased, the discharge craters became shallower with larger diameters, more micro cracks formed on the US-PMEDMed surface when the pulse duration increased to 120 μs. With the increase of peak current, the continuous uniformity of the recast layer thickness on US-PMEDMed surface got worse, the thickness of recast layer even increased to more than 10.30 μm with the increasing pulse duration. The recast layer of US-PMEDMed surface was denser and more consistent and had a better combination with the matrix. The surface roughness of US-PMEDM process was increased with the increase of peak current and pulse duration. Compared with EDM process, the surface roughness of US-PMEDM process decreased by about 40%. The micro hardness was increased with the increase of peak current, and with the increase of pulse duration, the micro hardness increased firstly and then decreased. The micro hardness was increased by a maximum of about 50% as compared to that of EDM process. The results indicate that ultrasonic vibration combined with TiC powder in the dielectric improves the machining environment, thus the machining performance and the micro hardness are improved by US-PMEDM process.

7Cr13Mo steel; US-PMEDM; surface roughness; recast layer; surface modification

2021-05-19；

2021-08-04

ZHANG Wei (1997—), Female, Postgraduate, Research focus: surface engineering.

李麗（1975—），女，博士，教授，主要研究方向為表面工程。

LI Li (1975—), Female, Doctor, Professor, Research focus: surface engineering.

張威, 李麗, 邵杰, 等. 超聲輔助混粉電火花加工7Cr13Mo鋼試驗研究[J]. 表面技術, 2022, 51(3): 254-261.

v261.6

A

1001-3660(2022)03-0254-08

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.027

2021-05-19；

2021-08-04

國家自然科學基金（51805302）

Fund：Supported by the National Natural Science Foundation of China (51805302)

張威（1997—），女，碩士研究生，主要研究方向為表面工程。

ZHANG Wei, LI Li, SHAO Jie, et al. Experimental Study of 7Cr13Mo Steel by Ultrasonic-assisted Powder EDM[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 254-261.