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由電火花加工引起的塑料模具鋼表面完整性的一項(xiàng)對(duì)比研究
BULENT EKMEKCI, OKTAY ELKOCA, 和 ABDULKADIR ERDEN
極端的電火花加工（EDM）過(guò)程導(dǎo)致了加工表面上一種獨(dú)特結(jié)構(gòu)的變化。在研究的過(guò)程中，我們對(duì)電極材料和液體介質(zhì)類型對(duì)塑料模具鋼樣品表面完整性的影響均進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，無(wú)論工具電極和絕緣液體如何變化，白層上總可以形成機(jī)加工表面。這一層是由分布在保留的滲碳體和馬氏體基體層上形成的樹(shù)突結(jié)構(gòu)奧氏體，由于熔融金屬的快速凝固，在碳介質(zhì)液體中使用。高強(qiáng)度裂紋的長(zhǎng)度增加引起低脈沖的電流脈沖。此時(shí)已發(fā)現(xiàn)電火花加工表面產(chǎn)生裂紋，閉合環(huán)路凹陷與徑向裂紋交叉直立仍然繼續(xù)，另一個(gè)放電反應(yīng)在附近發(fā)生。白層樣品中加工去離子水混合溶液液體介質(zhì)，保留的殘余奧氏體相的數(shù)量有所減少，裂紋強(qiáng)度有所變化。小球體附屬物的數(shù)量在增加，表面碳工具電極材料或介電質(zhì)液體被用于加工中。
1 引言
電火花加工（EDM）提供一個(gè)有效地制造工藝，使生產(chǎn)的硬質(zhì)材料構(gòu)件具有復(fù)雜的幾何形態(tài)，它很難用于常規(guī)加工航空航天、汽車、工具、模具等行業(yè)。
電火花加工可以描述為利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時(shí)產(chǎn)生的電蝕作用，蝕除導(dǎo)電材料的特種加工方法。因此，電能的形式以持續(xù)時(shí)間短脈沖指向電極。進(jìn)行電火花加工時(shí)，工具電極和工件分別接脈沖電源的兩極，并浸入工作液中，或?qū)⒐ぷ饕撼淙敕烹婇g隙。當(dāng)兩極間的間隙達(dá)到一定距離時(shí)，兩電極上施加的脈沖電壓將工作液擊穿，產(chǎn)生火花放電。眾所周知，在電極表面的腐蝕主要是由熱效應(yīng)的放電引起的，通過(guò)火花電極感應(yīng)，發(fā)電機(jī)制造出強(qiáng)烈的電場(chǎng)。在這一領(lǐng)域，最強(qiáng)的電極發(fā)揮作用。在這兩個(gè)電極之間，液體介質(zhì)中的分子和離子極化。當(dāng)介電強(qiáng)度液的差距超過(guò)自然條件限制，則是一種低阻放電通道形成由于電子放射引起的陰極陽(yáng)極的變化。這種碰撞過(guò)程以熱的形式轉(zhuǎn)化動(dòng)能。熱產(chǎn)生的放電通道預(yù)計(jì)高達(dá)1017w/平方米左右。因此，甚至可以提高局部電極溫度到20000k。因此，被電離的電極材料發(fā)生溶解、汽化。不被人了解的是在相似的高溫下可以得到如此小的尺寸。等離子體放電通道擴(kuò)張導(dǎo)致壓力增加，邊界電流密度差距降低。大多情況下，壓力升高可以防止兩電極表面過(guò)熱。當(dāng)脈沖電壓消失時(shí)，急劇下降的壓力會(huì)引發(fā)劇烈侵蝕過(guò)程。過(guò)熱的電解質(zhì)液體會(huì)使熔巖洞劇烈爆炸。最后，在表面冷卻的瞬間，在液體介質(zhì)中，形狀不規(guī)則的熔融材料或中空球形顆粒汽化。其最終結(jié)果就是在正負(fù)電極上都形成小坑，那里其余部分的熔融材料飛濺。應(yīng)用連續(xù)高頻率驅(qū)動(dòng)一個(gè)電極，逐漸侵蝕形成互補(bǔ)的工具電極形成電火花放電。
明確表征電火花加工表面形貌和質(zhì)量的功能是必不可少的。圖（2）（3）試圖定義一個(gè)單一的放電隕石坑的形狀和放點(diǎn)條件之間的關(guān)系。它發(fā)現(xiàn)，間隙距離引起放電隕石坑大小的多樣性。勞埃德和沃倫表明，陽(yáng)極隕石坑晶體取向是一個(gè)獨(dú)立的圓形凹陷的形式和凸起的環(huán)狀在液體分散時(shí)間金屬動(dòng)蕩造成的。此外，他們還發(fā)現(xiàn)，這個(gè)隕石坑的直徑在一定的條件下是一個(gè)常數(shù)。另一方面，
在陰極的隕石坑上并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)真正的循環(huán)，但可以發(fā)現(xiàn)它們晶面的對(duì)稱性。格林和阿爾瓦雷斯在不同的電極材料作用下、采用了輪廓成像技術(shù)準(zhǔn)確的測(cè)量了隕石坑電極的體積。他們的發(fā)現(xiàn)說(shuō)明了徑向流線附近的邊緣上的隕石坑受高壓的影響。拉達(dá)克里西南發(fā)現(xiàn)，利用定位技術(shù)，不同的材料形成的隕石坑，除了其規(guī)模和深度的不同，外觀則幾乎相同。他們報(bào)告說(shuō)，這是由于隕石坑口熔融材料的沉積。Wong等人用微細(xì)電火花加工，其中有一個(gè)單一的火花發(fā)生器工作，發(fā)現(xiàn)在較低的能量下，隕石坑的形狀更均勻。更好的界定以較低的能量（<50?PJ）與不規(guī)則的直徑的統(tǒng)一使其達(dá)到更高的水平。
由于連續(xù)放電現(xiàn)象，隕石坑隨機(jī)疊加。在各種不同的操作類型和實(shí)驗(yàn)條件下，各種不同的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋砻婀鉂嵍染话l(fā)表。（7-25）中已觀察到許多過(guò)程變量表面光潔度的影響，如峰值電流、電流脈沖的持續(xù)時(shí)間、電壓間隙、電極極性、雜物濃度、工具電極、工件、介質(zhì)液體的熱性能。一般來(lái)說(shuō)，電源功能趨勢(shì)曲線表明了脈沖能量的增加引起表面粗糙度的增加。大的粗糙度值可以說(shuō)明大隕石坑具有高能量。經(jīng)過(guò)較大的努力，我們使用了超精密加工，已經(jīng)改善了電火花加工的精度和表面粗糙度。材料的去除是在靜電作用力作用下發(fā)生在發(fā)生在金屬表面，短脈沖持續(xù)時(shí)間較短。在這種情況下，可能得到小于0.2的表面粗糙度值（RA），還可以得到1鏡面表面。（26、27、28）
在電鏡下，對(duì)各種加工面（2、5、10、11、14、22、23、29、30）的研究表明，表面觀察到的可溶性物質(zhì)是滯留氣體逃逸后形成的殘骸。很明顯，流量停止的瞬間表面是冷凍的。然而，根據(jù)凹痕一周的形狀，告訴了我們其突然破裂的同時(shí)，壓力也大幅度降低。
另一個(gè)特點(diǎn)是電火花加工表面上出現(xiàn)大量的裂紋。工件開(kāi)裂的出現(xiàn)和熱能的大小決定了加工表面。由于熱應(yīng)力導(dǎo)致電火花加工的表面形成裂紋。他們通常是先在材料的表面形成閉合回路，在冷卻的過(guò)程中，受應(yīng)力的影響，殘余內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致融化的材料比未受母材影響的材料更容易產(chǎn)生裂縫。（22、29、32）
早期的對(duì)純鐵和鐵合金在放電加工表面的研究表明，對(duì)白層的影響遠(yuǎn)比對(duì)基材的影響大。在合金電極材料白層的表面上發(fā)現(xiàn)了無(wú)規(guī)律的飛濺物。（2、4、33、35），從這些可以觀察電極材料如何影響工件表現(xiàn)的質(zhì)量。因此，研究表明，該合金應(yīng)減少一個(gè)合適的合金元素來(lái)降低殘余應(yīng)力，從而提高表面質(zhì)量。（2、4、35）經(jīng)過(guò)淬火可以獲得更高的硬度值。這一層是在機(jī)加工的條件下，以水為介質(zhì)觀察的。（2、4、33、34）
勞埃德和沃倫發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在石蠟介質(zhì)條件下用石墨電極加工時(shí)得到一種枝晶奧氏體和滲碳奧氏體共融的表面結(jié)構(gòu)；當(dāng)在正常條件下用銅電極加工時(shí)得到一種滲碳奧氏體表面結(jié)構(gòu)。?歐普 [33]報(bào)道在共晶再鑄層上加工熱鍛造鋼。?馬斯瑞林和馬爾基奧尼[36]報(bào)道了在碳化物基體上的奧氏體的結(jié)構(gòu)相似，但其指出，不同的電極下白層形態(tài)有所改變;并且碳化物和奧氏體相的比例各不相同。然而，思茅等[24]曾報(bào)道在電火花加工時(shí)，當(dāng)采用粉末冶金（PM）的生坯和燒結(jié)的碳化鈦 、碳化鎢、鈷時(shí)，白層的硬度增加。他們用輝光放電發(fā)射光譜對(duì)改性火花紋輥面的變化進(jìn)行分析，并觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鈦和鎢一起包含在電極電介質(zhì)中時(shí)，觀察到粉末冶金電極中含有的鈦和鎢和電火花液分解出的碳一起轉(zhuǎn)移到其表面。同樣，蔡等人[37]報(bào)道了加工表面上以復(fù)合電極為基礎(chǔ)的銅和鉻的遷移。?雷貝洛等[14]報(bào)道了其表面的碳強(qiáng)度增加了9倍，大于探針?lè)治龅纳⒀b物料的強(qiáng)度。加內(nèi)姆等[23]也發(fā)現(xiàn)碳和氫富集在外層。一些研究人員把表層和亞表層含碳量的增加歸因?yàn)殡娊赓|(zhì)的熱解,而另一些研究人員認(rèn)為是由于快速?gòu)氖姌O吸收了碳而非電解質(zhì)熱解出的碳.湯姆森總結(jié)出，碳是從介質(zhì)中吸收的，而不是從電極中吸收的[29]。近表面硬化現(xiàn)象在奧氏體結(jié)構(gòu)中比在鐵素體結(jié)構(gòu)中更為嚴(yán)重，由于在此結(jié)構(gòu)中碳溶解度更低[23]。雷貝洛眾議長(zhǎng)等人[14]表明，F(xiàn)e3C在滲碳馬氏體鋼的表面上形成，而Cabanillas等已發(fā)現(xiàn)形成碳化物的兩種不同的方式：第一種是E-碳化物，由奧氏體，馬氏體低于0.5焦耳的能量電火花加工形成[39];第二種是滲碳體，由奧氏體，F(xiàn)e7C3，或Fe5C2純鐵中的烴類介質(zhì)的更高的電火花加工形成。
利姆等人可視化的管理是通過(guò)使用非傳統(tǒng)的金相試劑使鑄層顯示各種微觀結(jié)構(gòu)。因此，他們根據(jù)各種意見(jiàn)，根據(jù)重鍍層厚度可分為三類。第一類被認(rèn)為是20微米至50微米左右，有結(jié)構(gòu)類似的微觀層次重疊；第二類被發(fā)現(xiàn)介于10微米和20微米之間，主要是柱狀性質(zhì)的樹(shù)突結(jié)構(gòu)。最后一類被發(fā)現(xiàn)其厚度小于10微米，是最耐腐蝕的。因此，它不能被準(zhǔn)確的描述是毋庸置疑的。
在大多數(shù)情況下，在鑄層可以發(fā)現(xiàn)受碳限定的熱影響層。（2、4、33、36、41、42）這層通常是鋼化的微觀結(jié)構(gòu)?？梢园l(fā)現(xiàn)這一層的硬度值小于潛在的硬化材料。在大量的研究中可以觀察到一個(gè)中間隔層重鑄的鋼化層。（2、4、33、36）通過(guò)工具電極發(fā)現(xiàn)這層是存在碳梯度的材料。在嚴(yán)峻的加工條件下，這層包括部分熔融層和另外一個(gè)區(qū)域，且發(fā)生了固態(tài)擴(kuò)散。厚度的增加導(dǎo)致熱影響層電荷能量的增加。這層包含了一個(gè)高密度二相粒子，比其母材具有更大的尺寸和更全面的碳化物粒子。（11）這層的硬度也略高于鑄層。（40）已經(jīng)報(bào)道過(guò)塑料變形區(qū)的材料由于是單相材料，且其在電火花加工時(shí)不發(fā)生復(fù)雜階段的變化，因此這層會(huì)引起潛在的金屬變厚幾十到幾百微米，發(fā)生塑性變形。在機(jī)加工條件嚴(yán)峻時(shí)，脆性材料會(huì)出現(xiàn)裂縫，大部分超出此地帶的材料將不會(huì)被加工。（4、11、33）
科技進(jìn)步已經(jīng)促進(jìn)高強(qiáng)度、高硬度的材料在制造業(yè)中的逐步使用。由于電火花加工有處理復(fù)雜的機(jī)械加工硬質(zhì)材料的能力，因此，本工藝加工方法逐步被使用。研究斷裂、疲勞失效、快速加熱和冷卻、表面缺陷對(duì)材料強(qiáng)度的影響。這些特性最終決定了機(jī)加工件的操作特性。在這項(xiàng)研究中，我們對(duì)電極材料和介質(zhì)液體類型對(duì)塑料模具鋼表面完整性的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。
2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程
塑料模具鋼材（DIN1.2738）樣品在電火花加工時(shí)應(yīng)去除應(yīng)力，確保良好的條件。先將其加熱到600°C緩慢冷卻一小時(shí)。其中一個(gè)表面用FURKAN*電火花加工。（FURKAN是土耳其的技術(shù)公司，伊斯坦布爾）。工作面積是10×50毫米。發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的平均電流在其脈沖為1、2、4、8、16和長(zhǎng)度為6、12、25、50、100、200、400、800、1600等。以商業(yè)煤油和去離子水作為電介質(zhì)液體。鋼和石墨被選為工具電極。材料的化學(xué)成分如樣品材料表中所示。
表1，組成塑料模具鋼材（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)）
JEOL*進(jìn)行了地形考試。
JEOL*日本電子光學(xué)有限公司、東京。
JSM-5600掃描電子顯微鏡（SEM）。樣品用傳統(tǒng)金相技術(shù)提取，可以觀察到熱影響層通常在一個(gè)奧林匹斯金相微觀的范圍。此部分加入一種試劑，以便于觀察熱影響區(qū)。顯微硬度測(cè)量深度文件由FUTURE-TECH*FM-700公司制作。
奧林匹斯是一個(gè)商標(biāo)*日本奧林匹斯有限公司、東京。
FUTURE-TECH是一個(gè)商標(biāo)*日本FUTURE-TECH有限公司、東京。
用維氏硬度indenter 10,或負(fù)載的時(shí)間縮進(jìn)15秒。通過(guò)帕特?x射線衍射，利用島津萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)* XRD – 6000，得出以下數(shù)據(jù)。
*島津萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)是一個(gè)商標(biāo)，日本島津萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)有限公司《京都議定書(shū)》
3 結(jié)果
A、表面形貌
眾所周知，通過(guò)控制電源的設(shè)置功能，使釋放出的能量導(dǎo)致表面粗糙度的變化。峰值電流越高，脈沖持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)，則表面的粗糙度越大。相反，峰值電流越低，脈沖持續(xù)時(shí)間越短，則表面粗糙度越小。因?yàn)殡姌O材料的能量和脈沖能量成正比。掃描電子顯微照片（圖1和2）表明，觀察電火花加工表面，重疊隕石坑，碎片球體，由逃逸的再沉積材料的煙囪狀滯留氣體形成可溶性物質(zhì)。
介質(zhì)液體和工具電極表面形貌的影響在文獻(xiàn)中沒(méi)有明確規(guī)定。已報(bào)道過(guò)他只引起表面粗糙度產(chǎn)生微小的變化。類似的操作條件下產(chǎn)生的表面，通過(guò)使用不同的液體介質(zhì)和電極材料的組合（圖1和2），顯示了圖形各種不同的特點(diǎn)。改變球狀或不規(guī)則形狀的附屬物的表面特征，被納入隕石坑外緣。銅作為工具電極，去離子水作為液體介質(zhì)（圖1（a））使用時(shí)，沒(méi)有或很少有附屬物可被觀察到。因此可以改變工具電極材料，或增加石墨等附屬物的數(shù)量（圖1（b））。已發(fā)現(xiàn)表面密集時(shí)，使用煤油作為電介質(zhì)液體。然而，在圖2（a）（b）的情況下，在表面地形不斷變化時(shí)，工具電極材料的變化并非必不可少。這些結(jié)果準(zhǔn)確表明碳來(lái)自電介質(zhì)液體或工具電極。
脈沖持續(xù)時(shí)間增長(zhǎng)，可以極大地提高表面損傷的數(shù)量。尤其是在高脈沖寬度和低電流設(shè)置且使用煤油作為電介質(zhì)液體時(shí)，最有可能產(chǎn)生裂紋。在這種情況下，一個(gè)明確的裂紋網(wǎng)絡(luò)在800?ps和平均電流為8 A增加兩倍的脈沖電流可以清晰顯示（圖3（a））。這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)里，脈沖持續(xù)的時(shí)間變短（圖3（b））。
用水做電解液時(shí)，高脈沖寬度時(shí)加工狀態(tài)不穩(wěn)定，當(dāng)采用正常脈沖電流16A，脈沖寬度低于400ps時(shí)，加工穩(wěn)定，當(dāng)采用8A脈沖電流時(shí)，脈沖寬度要低于200ps，加工狀態(tài)才穩(wěn)定。在不穩(wěn)定的加工條件下，可視化的深腔（圖4（a）項(xiàng)）以煤油作為液體介質(zhì)（圖3（a）），此時(shí)在加工過(guò)程中產(chǎn)生電弧。在相似加工條件下?lián)Q做銅電極加工時(shí)，會(huì)出現(xiàn)一個(gè)從穩(wěn)定到不穩(wěn)定加工的過(guò)渡型面，在此區(qū)域由不穩(wěn)定放電而產(chǎn)生的深坑會(huì)被穩(wěn)定加工時(shí)產(chǎn)生的熔融材料部分填平（圖4（b））。
（左）圖1。1-SEM電火花加工塑料模具鋼材表面。Iav = 16、tp = 25 p；介質(zhì)液體:去離子水；電極(a)和(b)：銅、石墨。
（右）圖2。2-SEM電火花加工塑料模具鋼材表面。Iav = 16、tp = 25 ps；介質(zhì)液體：煤油；、電極(a)和(b)：銅、石墨。
（左）圖3。3-SEM電火花加工塑料模具鋼材表面。電極:石墨； 800 ps；介質(zhì)液體：煤油；1，Iav = 8 ,；2，Iav = 16。
（右）圖4。4-SEM電火花加工塑料模具鋼材。Iav = 8 時(shí)，電極:(a)石墨、(b)銅；tp = 800 ps；液體介質(zhì)：水。
（左）圖5。5-Cross電火花加工部分塑料模具鋼樣品。介質(zhì)液體：煤油；tp = 400、Iav = 16； 電極（a）和(b)：石墨、銅。電極:銅;當(dāng)Iav = 8 時(shí),電極:石墨;當(dāng)Iav = 8 a,電極:銅。
（右）圖6。6-Cross電火花加工部分塑料模具鋼樣品。介質(zhì)液體:去離子水；tp = 400 ps、（a）Iav = 16 ；電極:石墨。(b)Iav = 16,電極:銅。(c)Iav = 8 ,電極:石墨。(d)Iav = 8 a,電極:銅。
B、熱影響層
在電火花加工的表面產(chǎn)生熱影響層。在所有情況下，研究發(fā)現(xiàn)脈沖持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)，白層厚度最高。重疊的隕石坑基地和輪輞在輪輞層較厚的地方形成白色層（圖5）。分析加工過(guò)程中的介質(zhì)液體和工具電極，從中發(fā)現(xiàn)，白層堆積在隕石坑外緣。當(dāng)使用石墨作為工具電極和煤油作為電介質(zhì)液體時(shí)，形成白色層是顯而易見(jiàn)的。銅作為工具電極使用時(shí)，推斷出在此形成的白層數(shù)量略有下降。當(dāng)水被用來(lái)作為電介質(zhì)液體時(shí)，白色層的減少是顯而易見(jiàn)的（圖6）。尤其是當(dāng)使用銅作為工具電極時(shí)，白層的數(shù)量最少。但由于高的熱度梯度對(duì)熱影響區(qū)有所影響，在大多數(shù)情況下，一個(gè)黑暗的熱影響中間層是可見(jiàn)的。我們發(fā)現(xiàn)這層比白層薄得多。
C、硬度深度百分比
我們至少10次測(cè)量各個(gè)熱影響層。閱讀資料10-G，塑料模具鋼樣品的壓痕時(shí)間15秒，在一定的負(fù)載下，觀察顯微硬度讀數(shù)的變化（見(jiàn)表二）。在白色層的硬度值比其母材的硬度值更高。位于白層下的熱影響區(qū)域硬度急劇降低（由外至里）直至降低到未受影響的材料硬度值。我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)有趣的結(jié)果：工具電極和電介質(zhì)液體，會(huì)略微受到影響層內(nèi)的硬度變化的影響。
D. x射線衍射模式
塑料模具鋼樣品的X射線衍射圖樣顯示基本上是兩個(gè)不同的趨勢(shì)（圖7）。當(dāng)樣品以煤油為介質(zhì)加工時(shí)，無(wú)論工具電極材料有什么變化，均會(huì)形成Fe3C。?Fe3C不能在加工表面用去離子水檢測(cè)。因此，可以得出結(jié)論，在表面層中的含碳量的增加可以歸因于液體介質(zhì)的裂解產(chǎn)物，而不是工具電極。以去離子水作為液體介質(zhì)時(shí)，殘余奧氏體也對(duì)所有樣品的檢測(cè)量有一定的影響。
圖7。在衍射模式下電火花加工塑膠模鋼樣品。（a）Iav = 16、tp = 800 。(b)以銅為電極，以煤油為液體介質(zhì)。(c)以石墨為電極，以煤油為液體介質(zhì)。(d)以銅為電極，以去離子水為液體介質(zhì)。 (e)以石墨為電極，以去離子水為液體介質(zhì)。
附表二 顯微鏡下測(cè)量硬度的結(jié)果
4 討論結(jié)果
在機(jī)加工條件下，我們發(fā)現(xiàn)，最外層就是我們熟知的白層。白層表面的厚度是不均勻的。這是由于連續(xù)重疊層電火花作用的結(jié)果。因此，預(yù)計(jì)類似的微結(jié)構(gòu)組成的多層結(jié)構(gòu)應(yīng)在白層上出現(xiàn)。?利姆等人[40]在可視化的粗加工條件下，通過(guò)有效地試劑，發(fā)現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu)。白層厚度從幾微米開(kāi)始變化。由于熔化的金屬被驅(qū)逐到現(xiàn)有的白層，隨后凝固，因此白層就在這部分形成。減小脈沖寬度和電流也可以減少白層的厚度，但在較厚的部分可以看見(jiàn)多層結(jié)構(gòu)。對(duì)較薄的單層結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀察，該部分主要是柱狀或樹(shù)突狀組織。這可能是單層類型，保留了熔融金屬的凝固組織（圖8（a））。熔融金屬顆粒形成球形附屬物，被驅(qū)逐在電火花加工的工件的表面固化。這種附屬物一般可分為兩組。第一組的球形物只會(huì)粘結(jié)在白層上。他們呈小球形，與基體在一個(gè)或兩個(gè)接觸點(diǎn)結(jié)合?；瘜W(xué)蝕刻可以輕松的去除這組球形物。仔細(xì)觀查發(fā)現(xiàn)，在有些情況下，沒(méi)有明確的證據(jù)可以檢測(cè)這些小球準(zhǔn)確的脫落位置[40]。第二組的球形物牢牢地融合再鑄層，并且具有較大的接觸面積圖8（b）。在多層基板加工過(guò)程中，工具電極材料和絕緣液體周圍，可以看到一個(gè)個(gè)球形附屬物。雖然沒(méi)有確鑿的證據(jù)表明石墨電極的白色層和熱影響層中有大量德?tīng)柼几患蛐胃綄傥飻?shù)量的增加是顯而易見(jiàn)的（圖1（b））。顯微圖像表明與電解質(zhì)和電極都有反應(yīng)，如果沒(méi)有電解質(zhì)或者電極生成碳，工件表面的氣化過(guò)程會(huì)得到抑制。這表明碳在工具電極、電介質(zhì)液體沸騰的過(guò)程中被同化。
塑料模具鋼樣品的X射線衍射圖樣顯示，在使用煤油作為電介質(zhì)液體時(shí)在加工表面上形成Fe3C。因此，白層由滲碳體和馬氏體組成，分布在保留的奧氏體基體中。使用去離子水為液體介質(zhì)時(shí)，保留的殘余奧氏體相的數(shù)量減少、強(qiáng)度降低。改變電極材料結(jié)果仍然不會(huì)改變。據(jù)推測(cè)，僅相的數(shù)量可能會(huì)有所不同。在放電過(guò)程中破獲的烴類介質(zhì)的裂解產(chǎn)物形成滲碳體。顯微硬度測(cè)試表明，白層硬度在不同情況下是不同的，因?yàn)樗刹煌奈⑿驮M成。
在所有情況下，電火花加工塑料模具鋼，熱影響層產(chǎn)生導(dǎo)致白層的變化。我們發(fā)現(xiàn)，在最外層區(qū)域白層硬度值較高，然后逐步減少在內(nèi)部部分母材硬度。
大多數(shù)研究人員報(bào)道說(shuō),在較高的脈沖寬度下，裂縫逐漸增多，能量逐漸增加 [11,32]。根據(jù)他們的說(shuō)法,在機(jī)加工時(shí)應(yīng)按比例增加脈沖能量，則更容易裂紋。然而,李和泰[22]聲明,在最小電流脈沖下，這個(gè)裂縫密度最大，持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。這些結(jié)果證實(shí)這一結(jié)論。在同一脈沖下，裂縫在高能級(jí)密度下持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng)。如果降低脈沖能量,在閉合環(huán)路裂縫處出現(xiàn)凹陷(圖3(a))。裂縫形成的隕石坑繼續(xù)蔓延時(shí),在附近繼續(xù)產(chǎn)生電火花放電?？梢灾赋觯诖怪苯嵌鹊慕稽c(diǎn)處，常常形成裂紋(圖9)。通過(guò)區(qū)分附屬物和球狀體也可以區(qū)分樣品。有時(shí)在加工表面發(fā)現(xiàn)的小隕石坑大概是由于泡沫崩潰形成的。在這種情況下，可以清晰地看見(jiàn)馬氏體的痕跡(如圖9(b)。在相同的能量下，當(dāng)脈沖持續(xù)時(shí)間減少時(shí)，裂縫的數(shù)量也相應(yīng)減少。尤其是在隕石坑外緣，產(chǎn)生一個(gè)更高的熱徑向應(yīng)力，徑向裂縫產(chǎn)生(如圖10)。改變工具電極不能改變表面裂紋的結(jié)構(gòu)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)當(dāng)金屬材料達(dá)到熱影響層時(shí)，裂縫穿透白層繼續(xù)蔓延。
當(dāng)石墨被用作工具電極和去離子水被用作電介質(zhì)液體時(shí)，在高脈沖條件下，一場(chǎng)激烈的、非同尋常的的開(kāi)裂在熱影響層產(chǎn)生(圖11)。這種不穩(wěn)定的運(yùn)行情況常見(jiàn)于工業(yè)應(yīng)用中。在這種情況下，與其他情況相比，其隕石坑更深，且其形狀更不規(guī)則(圖4(a))。裂縫是隨機(jī)分布的,通常是在隕石坑口基體上,并擴(kuò)展到其母材上。當(dāng)用去離子水做電火花液時(shí)產(chǎn)生的這些缺陷與電解液被石墨電極加工時(shí)產(chǎn)生的廢物污染有關(guān)，污染的增加降低了電火花液的性能并導(dǎo)致加工過(guò)程中產(chǎn)生電弧。
(左)圖9-劇烈電火花加工塑料模具鋼材。 (a)放大200倍,(b)放大550倍。介質(zhì):煤油,tp = 1600 ps;Iav = 8。
(右)圖10-劇烈電火花加工塑料模具鋼材。(a)放大200倍,(b)放大550倍。工具電極:銅；介電材料:煤油,tp = 400 ps;Iav = 8。
圖11-邊界裂解塑料模具鋼材。工具電極:石墨；介電材料:去離子水；tp = 1600 ps;Iav = 8。
5 結(jié)論
通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)可以得出以下結(jié)論。
1、電火花加工時(shí)，無(wú)論選用任何一種電介質(zhì)液體和工具電極材料，在加工表面上均可形成白層。
2、在烴類電火花液中加工的樣品白層中含有比母材多的碳，是由于放電過(guò)程中電火花液熱解的產(chǎn)物所致.因此白層含有滲碳體和馬氏體分布在殘留奧氏體中，由于熔融金屬的快速固化而形成枝晶狀結(jié)構(gòu).
3、加工樣品的白層若以去離子水為液體介質(zhì)時(shí)，殘余奧氏體相的數(shù)量會(huì)更少，裂紋強(qiáng)度會(huì)更低。在這種情況下，白層硬度與母材硬度的增加是馬氏體作用的結(jié)果。
4。雖然目前還沒(méi)有確鑿的證據(jù)證明白層的碳富集，從石墨電極的研究來(lái)看，在機(jī)加工表面球形附屬物的數(shù)量增加了。這表明，不僅是工具電極的碳同化，而且電介質(zhì)液體沸騰的過(guò)程也導(dǎo)致碳同化。
5。當(dāng)另一個(gè)放電反應(yīng)發(fā)生在附近時(shí)，電火花加工表面上的裂縫按照閉環(huán)方式穿越徑向裂紋繼續(xù)傳播。在高脈沖寬度和低脈沖電流時(shí)，開(kāi)裂強(qiáng)度增加。
嗚謝
這項(xiàng)研究受中東技術(shù)大學(xué)研究基金的支持。作者對(duì)材料研究實(shí)驗(yàn)室、埃雷利鋼鐵廠有限公司的設(shè)備支持表示感謝。作者同時(shí)感謝來(lái)自科尼亞，塞爾庫(kù)克大學(xué)（肯尼亞，土耳其）機(jī)電工程系的Halkaci先生在樣品制備過(guò)程中的幫助。
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附件：(外文資料原文)
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