楊 磊，雍耀維,2，彭威震，郭常寧

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

含氮模具鋼電火花加工表面缺陷實(shí)驗(yàn)研究

楊 磊1，雍耀維1,2，彭威震1，郭常寧1

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，上海200240；2.寧夏大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，寧夏銀川750021）

含氮模具鋼材料經(jīng)電火花加工后，加工表面常會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂紋與氣孔。通過對(duì)STAVAX ESR、MIRRAX ESR、VANCRON 40等3種含氮量不同的模具鋼進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，深入研究了裂紋及氣孔與材料成分、電火花脈沖參數(shù)之間的關(guān)系。結(jié)果表明：在相同加工條件下，表面產(chǎn)生氣孔的數(shù)量隨著材料含氮量的增加而增多；含氮模具鋼中含有鉻元素時(shí)，會(huì)加劇裂紋的生成；脈沖寬度增大時(shí)，裂紋密度及氣孔量隨之增加；峰值電流增大時(shí)，裂紋密度及氣孔量隨之降低。

電火花加工；含氮模具鋼；氣孔；裂紋；脈沖參數(shù)

隨著模具技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)模具材料的性能提出了更高的要求。在材料中加入微量氮元素已成為模具新鋼種之一，它能使材料韌性得到改善。含氮模具鋼硬度高，耐腐蝕性強(qiáng)，且韌性好[1]，因而深受模具行業(yè)的歡迎；但這些特性也使其機(jī)械加工受到局限，故電火花加工方法在模具行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用[2]。在電火花加工含氮模具鋼的實(shí)際應(yīng)用中，加工表面往往會(huì)產(chǎn)生很多缺陷，如表面空穴、裂紋、氣孔等[3]，嚴(yán)重影響模具鋼材料的使用壽命，而這些缺陷與加工參數(shù)、材料特性等有關(guān)。

為了分析電火花加工表面裂紋與氣孔形成的原因及影響因素，本文使用3種含氮量不同的塑膠模具鋼STAVAX ESR、MIRRAX ESR、VANCRON 40進(jìn)行了電火花加工實(shí)驗(yàn)，探討加工參數(shù)與裂紋、氣孔之間的關(guān)系，并分析了材料對(duì)裂紋、氣孔的影響。

1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在CHARMILLES ROBOFORM 35電火花成形機(jī)床上進(jìn)行，3種模具鋼材料工件的尺寸同為40 mm×50 mm×10 mm。實(shí)驗(yàn)選用的加工參數(shù)見表1，所選材料成分見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

表2 材料成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本文通過實(shí)驗(yàn)分析了不同材料在同一條件下加工表面的氣孔及裂紋的變化規(guī)律，以及同種材料在不同峰值電流或脈沖寬度下加工表面的氣孔及裂紋的變化規(guī)律。

實(shí)驗(yàn)選取3組不同的加工參數(shù)：ti=6.4 μs/ie=1.5 A、ti=25 μs/ie=1.5 A、ti=25 μs/ie=6 A，對(duì)3種塑膠模具鋼材料進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)，并用JSM-7600M電子掃描顯微鏡觀察材料在不同加工參數(shù)時(shí)的加工表面（圖1）。

圖1 STAVAX、MIRRAX ESR、VANCRON 40的加工表面SEM照片（1000×）

2.1 材料與表面缺陷的關(guān)系

2.1.1 氣孔與材料的關(guān)系

從圖1可看出，在3組加工參數(shù)條件下，STAVAX的加工表面始終沒有出現(xiàn)氣孔，MIRRAX ESR與VANCRON 40的加工表面有氣孔 （圖1箭頭所示），且VANCRON 40加工表面的氣孔更明顯。由此表明，氣孔是由于材料中的含氮元素而形成的，且氣孔數(shù)量隨著材料含氮量的增加而明顯增多。其原因?yàn)椋旱卦诮饘俨牧现幸越饘俚镄问酱嬖赱4]；電火花放電加工時(shí)，通道內(nèi)的溫度可瞬時(shí)達(dá)到上萬攝氏度，足以使工件表面材料瞬間熔化，熔融部分金屬中的金屬氮化物由于受高溫作用而熱分解，產(chǎn)生氮?dú)鈁5]；逸出表面的氮?dú)?，則在加工表面形成氣孔。然而，整個(gè)過程在一個(gè)脈沖寬度時(shí)間范圍內(nèi)完成，由于電加工液的冷卻作用非常迅速，部分氮?dú)鉄o法及時(shí)從熔融金屬中逸出而滯留在白層中，形成氣泡（圖2）。

為了進(jìn)一步說明氣孔是由于氮元素從金屬材料中逸出而產(chǎn)生，且其數(shù)量隨著材料中氮元素含量的增加而增多的現(xiàn)象，本文對(duì)電火花加工前后的材

料表面做了能譜分析，其氮元素含量對(duì)比見圖3。可看出，MIRRAX ESR和VANCRON 40在電火花加工后，氮元素含量有所降低，且VANCRON 40的氮元素含量的降幅明顯高于MIRRAX ESR，即氮元素逸出的量更多，出現(xiàn)氣孔的數(shù)量也就更多。因此有理由認(rèn)為，隨著材料中氮元素含量的增加，從金屬中逸出氮元素的量增多，金屬表面的氣孔數(shù)量也隨之增多。

圖2 MIRRAX ESR白層照片

圖3 材料電火花加工前后氮元素含量對(duì)比曲線

2.1.2 裂紋與材料的關(guān)系

從圖1可看出，相同條件下，MIRRAX ESR表面的裂紋（圖1圓圈所示）較多，VANCRON 40表面裂紋最少。為了更確切地描述裂紋程度，在此引入裂紋密度概念。裂紋密度為單位面積內(nèi)裂紋的總長(zhǎng)度，其計(jì)算方法為：在1000倍的SEM照片中，裂紋的總長(zhǎng)度除以照片區(qū)域面積[6]。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，3種材料分別在3組加工參數(shù)時(shí)的裂紋密度見圖4?？煽闯?，加工參數(shù)相同時(shí)，MIRRAX ESR的裂紋密度明顯高于STAVAX和VANCRON 40，而VANCRON 40的裂紋密度最小。通常情況下，影響材料裂紋敏感性的因素主要有：材料本身的熱傳導(dǎo)性和材料本身組成元素的成分對(duì)白層凝固的影響[6]。

圖4 3種材料加工表面的裂紋密度對(duì)比

（1）塑膠模具鋼會(huì)因成分不同而導(dǎo)致熱傳導(dǎo)率不同，材料的熱傳導(dǎo)率直接影響其電火花加工特性及表面裂紋敏感性。有學(xué)者研究了鋼的熱傳導(dǎo)率[7]：

式中：元素符號(hào)為該元素在材料中的質(zhì)量百分比。

經(jīng)計(jì)算，STAVAX、MIRRAX ESR、VANCRON 40材料的熱傳導(dǎo)率值分別為：33.57、17.68、128.38 W/(m·K)。對(duì)比材料的熱傳導(dǎo)率與加工表面裂紋密度，發(fā)現(xiàn)熱傳導(dǎo)率越大的材料，越不易產(chǎn)生裂紋。這是因?yàn)闊醾鲗?dǎo)率越大，在加工過程中由電極傳遞到工件的熱量越易擴(kuò)散，產(chǎn)生的殘余熱應(yīng)力越小，故在加工表面形成的裂紋也就越少。

（2）當(dāng)材料中含有大量的鉻，電火花加工表面易產(chǎn)生裂紋[8]。STAVAX與MIRRAX ESR的鉻含量相近，且明顯高于VANCRON 40，因此，STAVAX與MIRRAX ESR加工表面裂紋密度較高。當(dāng)材料中含有鉻和氮元素時(shí)，氮元素與鉻元素結(jié)合，使材料體積膨脹，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力超過材料本身的抗拉強(qiáng)度，從而引起裂紋[9]。因此，在含鉻模具鋼中，氮元素的存在增加了材料電火花加工表面的裂紋密度，且裂紋密度隨著氮含量的增加而增加，故MIRRAX ESR的裂紋密度明顯高于STAVAX。此外，鉬元素與氮元素結(jié)合后可抑制裂紋的產(chǎn)生[10]，含氮量最高的VANCRON 40的鉬含量高于STAVAX和MIRRAX ESR，高含量的鉬和氮元素結(jié)合，有效地抑制了加工表面裂紋的產(chǎn)生。且VANCRON 40中含有鎢元素，通常鎢加入合金鋼中能阻止熱處理時(shí)晶粒的長(zhǎng)大和粗化，降低了回火脆化傾向，并能顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性，也就降低了裂紋的產(chǎn)生。因此，VANCRON 40的裂紋密度最小。

2.2 峰值電流及脈沖寬度與表面缺陷的關(guān)系

2.2.1 與氣孔的關(guān)系

從圖1可看出，加工參數(shù)為1.5 A/25 μs時(shí)，含氮模具鋼MIRRAX ESR及VANCRON 40加工表面的氣孔最多；電流為6 A時(shí)，加工表面幾乎不再有

氣孔出現(xiàn)。由此表明，在其他加工條件一定時(shí)，電火花加工含氮模具鋼的加工表面氣孔數(shù)量隨著脈沖寬度的增加而增加，隨著峰值電流的增大而減少。其原因?yàn)椋涸诩庸l件不變時(shí)，隨著脈沖寬度增大，工件表面獲得的能量增加，熔融金屬變多，氮化物受熱分解作用，釋放出的氮?dú)庠龆?，使最終加工表面產(chǎn)生的氣孔數(shù)量越多。而電流越大，放電通道內(nèi)的能量越高，熔融金屬量越多，導(dǎo)致白層越厚，氮化物熱分解出的氮?dú)庖苍蕉?；但放電能量高，使通道膨脹，通道?nèi)的壓力增大，使白層中的氮?dú)鉄o法釋放到通道而留在白層中，形成了氣泡。因此，峰值電流越大時(shí)，加工表面出現(xiàn)的氣孔越少，留到白層中的氣泡越多。圖5是VANCRON 40的加工白層照片，可看出，電流為6 A時(shí)，白層中有明顯的氣泡。

圖5 VANCRON 40白層照片

2.2.2 與裂紋的關(guān)系

從圖1可看出，加工參數(shù)為1.5 A/25 μs時(shí)，材料加工表面的裂紋最多；當(dāng)電流為6 A時(shí)，加工表面幾乎不再出現(xiàn)裂紋。由此表明，在其他加工參數(shù)一定時(shí)，電火花加工含氮模具鋼的加工表面裂紋密度隨著脈沖寬度的增大而增加，隨著峰值電流的增大而減少。這是因?yàn)槊}沖寬度較小時(shí)，電火花作用于工件的時(shí)間較短，產(chǎn)生的熱量不易傳遞到工件表面深層，形成的白層厚度很薄，產(chǎn)生的殘余應(yīng)力不會(huì)超過工件自身的抗拉強(qiáng)度，所以裂紋很少；反之，脈沖寬度較大時(shí)，電火花作用于工件的時(shí)間較長(zhǎng)，產(chǎn)生的熱量有足夠的時(shí)間傳遞到表層深處，使白層厚度增加，放電結(jié)束后，表層先凝固，內(nèi)層材料逐漸凝固，導(dǎo)致材料表層出現(xiàn)較大的殘余拉應(yīng)力，甚至超過材料本身的抗拉強(qiáng)度，因此材料表面產(chǎn)生裂紋[11]。當(dāng)峰值電流增加時(shí)，放電通道的電流密度也隨之增加，使局部熔融金屬得以排出，因此減少回熔金屬表層應(yīng)力分布不均的狀況，從而抑制了表面裂紋的產(chǎn)生[6]。

3 結(jié)論

（1）不含氮的STAVAX ESR加工表面幾乎沒有出現(xiàn)氣孔；在含氮的MIRRAX ESR及VANCRON 40加工表面出現(xiàn)氣孔，且在同一加工條件下，氣孔數(shù)量隨著材料含氮量的增加而增多。

（2）熱傳導(dǎo)率越大，模具鋼材料電火花加工表面裂紋密度越??；含氮模具鋼中，含鉻元素時(shí)會(huì)加劇裂紋的生成，含鉬元素時(shí)會(huì)減少裂紋的生成。

（3）同一條件下，加工表面的氣孔數(shù)量與裂紋密度隨著脈沖寬度的增加而增大，隨著峰值電流的增加而減小。

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Experimental Study on EDM Surface Defects of Nitrogenous Mould Steel

Yang Lei1，Yong Yaowei1,2，Peng Weizhen1，Guo Changning1
（1.Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China；2.Ningxia University，Yinchuan 750021，China）

The varying degrees of cracks and pores generally appear on the finish surface of nitrogenous mould steel after EDM.The relationship between cracks or pores and material contents and pulse parameters was studied via EDM experiment for different nitrogen content mould steels.The results show that the pores quantity increases as the nitrogen contents of mould steel increases in the same condition.While nitrogenous mould steel contains Cr，it will aggravate the formation of cracks when EDM.The pores quantity and cracks density increase with the increment of pulse-on duration，while it decreases as peak current increases.

EDM；nitrogenous mould steel；pores；cracks；pulse parameter

TG661

A

1009－279X（2014）02－0010-04

2013-09-12

寧夏自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（NZ12159）第一作者簡(jiǎn)介：楊磊，男，1988年生，碩士研究生。