火花機(jī)加工表面和亞表面改性的表征技術(shù)

用于摩擦學(xué)分類的火花機(jī)表面摩擦測(cè)試

   使用各種摩擦計(jì)研究材料的摩擦學(xué)特性，例如摩擦系數(shù) （CoF）、耐磨性等;銷盤摩擦計(jì)是其中最常見的。銷釘垂直于圓盤形工件，由測(cè)試儀以固定的力和速度壓在圓盤上。da Silva等研究了涂層和開模放電加工對(duì)退火AISI H13鋼表面的影響。目的是觀察電火花加工表面的摩擦系數(shù)和耐磨性如何變化，該表面通過(guò)放電火花機(jī)涂層工藝進(jìn)行了改性;MICROTEST MT/60/NI 摩擦計(jì)用于測(cè)量這些特性。將尿素與去離子水介電流體混合，并使用具有直極性的銅工具電極對(duì)加工表面進(jìn)行改性。碳化鎢用作三酯上的銷釘材料。作者檢查了工件的摩擦行為，并測(cè)量了滑動(dòng)距離達(dá)2000 m的摩擦系數(shù)（CoF）（如下圖所示）。

當(dāng)所有工件的滑動(dòng)距離超過(guò)35 m時(shí)，CoF值變得穩(wěn)定。這是由于影響摩擦的因素之間的平衡，從而獲得更光滑的表面。在涂層工件的情況下，滑動(dòng)距離達(dá)到400 m后，CoF趨于增加。涂層工件表面存在氧化層導(dǎo)致較低的 CoF，因?yàn)?EDM 涂層層充當(dāng)潤(rùn)滑劑。另一方面，由于粘打滑和碎片的存在，僅退火和僅電磁阻表面分別具有較高的 CoF 值。在銷釘表面發(fā)現(xiàn)了鐵（Fe）和鉻（Cr），在磨損的軌道上發(fā)現(xiàn)了鎢，這表明涂層工件在滑動(dòng)距離400 m后CoF增加。退火鋼工件的磨損軌道保證了塑性變形，因?yàn)殇N釘施加的壓力大于材料的剪切強(qiáng)度。這種塑性變形導(dǎo)致退火工件的材料損失更高。在 EDM 表面上發(fā)現(xiàn)了軌道上的磨料磨損，以及凹槽和疤痕。對(duì)于涂層工件，磨損痕跡更淺、更光滑。研究還發(fā)現(xiàn)，表面磨損率（SWR）隨著硬度的增加而降低。由于涂層表面具有最高的硬度和更高的承載能力，因此其駐波比最低。由于硬度最低，退火工件的駐波比是涂層工件的 4-6 倍。

        Delgado等使用線切割加工加工WC-Co、WC-Ni和ZrO₂基復(fù)合材料，并通過(guò)研究載荷和表面光潔度對(duì)加工表面的CoF值和磨損特性的影響，研究了加工表面的摩擦學(xué)性能。采用平板摩擦試驗(yàn)機(jī)分析電火機(jī)加工表面的摩擦學(xué)特性。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)CoF值分別在0.52–0.82和0.32–0.52范圍內(nèi)。

摩擦曲線先是增加，然后下降，最后再次增加，以達(dá)到平衡狀態(tài)（如下圖所示）。

他們還觀察到摩擦曲線在整個(gè)磨損實(shí)驗(yàn)中發(fā)生了波動(dòng)。位于接觸面上的微結(jié)經(jīng)歷了連續(xù)的斷裂和再生。結(jié)果，接觸面和銷之間的相互作用隨著滑動(dòng)距離的變化而變化。摩擦學(xué)特性也高度依賴于表面光潔度。WC-Ni 等級(jí) CC6 的 CoF 最低。此外，ZrO_2-TiN 牌號(hào) ZC5 的 CoF 和磨損水平最高。Philip等在火花機(jī)加工過(guò)程中使用Cu電極對(duì)Ti-6Al-4V的表面進(jìn)行改性，并通過(guò)在幾種高溫（200 °C、400 °C和600 °C）下使用針上圓盤摩擦計(jì)和改變50至150 N的施加載荷來(lái)研究摩擦學(xué)特性。由于形成了幾種氧化物，例如 TiO2、Ti8O15 和 Ti24C15，電火花機(jī)加工工件的硬度增加了四倍。在200 °C和100 N下，由于形成氧化層，摩擦學(xué)性能有了很大的提高;然而，在較高的溫度和施加的載荷 （150 N） 下，材料會(huì)因剝落而磨損。研究還發(fā)現(xiàn)，Ti24C15 的形成不僅具有高硬度，而且還保護(hù)了其他氧化物，并發(fā)揮了顯著的抗磨損作用。

通過(guò)SEM和EDS進(jìn)行表面表征和成分分析

掃描電子顯微鏡 （SEM） 和能譜 （EDS） 被全球眾多研究人員用于表面表征和成分分析。白層或重鑄層是導(dǎo)電材料進(jìn)行電火花機(jī)加工時(shí)的常見現(xiàn)象。電火花機(jī)加工涉及在非常高的溫度 （~10,000 °C） 下對(duì)工件進(jìn)行瞬間熔化和汽化。介電流體沖走電火花加工中產(chǎn)生的碎屑。在脈沖關(guān)閉期間，一些熔化的顆粒不會(huì)被沖洗并在電火花加工表面上重新凝固，從而形成一層稱為白層。微觀結(jié)構(gòu)在很大程度上取決于所用電極和介電流體的特性以及工藝參數(shù)。在熱影響區(qū) （HAZ） 之外，母材的微觀結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。白色層的存在可以在SEM顯微照片中識(shí)別，構(gòu)成該層的元素/化合物可以通過(guò)EDS分析識(shí)別。

SEM分析產(chǎn)生電子束，這些電子束撞擊并產(chǎn)生包含表面信息的信號(hào)。然后將這些信息信號(hào)轉(zhuǎn)換為圖像。電火花機(jī)加工工藝參數(shù)如峰值電流、脈沖導(dǎo)通時(shí)間、脈沖關(guān)斷時(shí)間等，對(duì)加工表面的改性起著至關(guān)重要的作用。研究人員使用 SEM 來(lái)分析表面特性，包括電火花機(jī)加工表面的重鑄層厚度、空隙、裂紋、小球、麻點(diǎn)等。通過(guò)PMEDM改性AA606/10% SiC復(fù)合表面。熔融材料從工件、工具電極和電介質(zhì)中吸積，與粉末顆粒一起形成均勻的重鑄層。添加的鎢粉降低了對(duì)表面的沖擊力，也降低了能量密度，從而使表面更光滑。Janmanee和Muttamara 比較了使用鈦粉懸浮液通過(guò)電火花加工（EDM）和電火花涂層（EDC）工藝制備的碳化鎢表面。如下圖所示

的SEM顯微照片證實(shí)，在電流和占空比保持恒定的情況下，與EDM工藝相比，EDC工藝產(chǎn)生了更平坦的重鑄層，微裂紋更少。鈦粉進(jìn)入微裂紋和空隙，導(dǎo)致EDC的表面更光滑，波峰高度更低。這也是EDC制備的表面粗糙度較低的原因。研究了電流的影響，作者發(fā)現(xiàn)在電流 = 20 A 和占空比 = 50% 時(shí)，最佳 Ti 涂層為 20.32%，表明該電流適用于實(shí)驗(yàn)。鍵合能力隨著電流從 20 A 的增加而降低。他們還研究了占空比的影響，發(fā)現(xiàn)在占空比 = 50% 時(shí)，最佳鈦涂層為 21.46%，該涂層的厚度為 5 μm。

Bhaumik和Maity使用不同的工具電極來(lái)加工鈦合金，并研究了這些工具電極對(duì)重鑄層厚度和表面形貌的影響。SEM圖像表明，與黃銅和鋅電極相比，使用銅電極時(shí)獲得了最光滑和最薄的重鑄層，而使用鋅電極時(shí)獲得了缺陷和不均勻性最高的表面。研究發(fā)現(xiàn)，在電火花機(jī)加工過(guò)程中，重鑄層厚度隨著峰值電流的增加而增加。Dewangan等研究了白層厚度，發(fā)現(xiàn)在峰值電流8 A下，當(dāng)使用黃銅作為電極材料時(shí)，白層厚度最低，其次是銅和石墨。在所用電極中，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)最低，導(dǎo)致電火花加工過(guò)程中的散熱最低。此外，由于在SEM顯微照片中發(fā)現(xiàn)的放電能量效應(yīng)較高，白層厚度與峰值電流和脈沖導(dǎo)通時(shí)間成正比。

能量色散光譜 （EDS） 是一種廣泛用于查找加工表面組成百分比的分析。在此過(guò)程中使用電子束，聚焦在電火花表面上。電子的入射束撞擊表面，激發(fā)電火花機(jī)加工樣品原子內(nèi)的電子。電子從其殼層中噴射出來(lái)，從而在該原子的較低能殼層上形成一個(gè)空穴。為了填補(bǔ)間隙，來(lái)自高能殼層的電子跳到低能殼層。由于電子從較低能殼層射出以及另一個(gè)電子從較高能殼層填充該空穴而以 X 射線形式釋放的能量可以使用能量色散光譜儀進(jìn)行測(cè)量。在這個(gè)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的X射線能量對(duì)于不同的元素是不同的，因此該分析提供了在加工表面上發(fā)現(xiàn)的元素的組成。元素從介電流體和電極中的遷移以及白色層的化學(xué)成分可以通過(guò) EDS 分析來(lái)識(shí)別。

Bhaumik和Maity分析了用三種不同電極（即銅、鋅和黃銅電極）加工鈦合金表面后形成的白色層的化學(xué)成分。EDS 分析證實(shí)了加工工件表面存在電極材料。與電火花加工工藝相關(guān)的高溫導(dǎo)致介電流體分解，從而使碳從介電體遷移到機(jī)加工表面。

Li等使用傳統(tǒng)的Cu電極和Cu-SiC復(fù)合電極通過(guò)電火花機(jī)加工工藝加工了Ti-6Al-4V合金。EDS分析下圖表明，

由于該工藝使用了電火花加工油，加工表面的碳含量較高;作者還發(fā)現(xiàn)加工表面存在Si和Cu。兩個(gè)電極產(chǎn)生的表面產(chǎn)生了比基材更硬的層。Sharma等使用粉末混合電火花加工工藝對(duì)可生物降解的Mg/Zn合金表面進(jìn)行了改性。EDS分析確保粉末沉積到加工表面的速率隨著粉末濃度的增加而增加。鋯粉的沉積速率高于錳粉。錳的熔點(diǎn)較低，電火花加工工藝在火花間隙中產(chǎn)生非常高的溫度。因此，錳粉在此過(guò)程中部分汽化，導(dǎo)致沉積速率較低。

3. 使用XRD技術(shù)進(jìn)行相位表征

X射線衍射（XRD）是另一種用于評(píng)估電火花加工過(guò)程中形成的晶體分子結(jié)構(gòu)的分析。一束X射線入射到工件上。晶體向不同的方向衍射這些X射線。測(cè)量X射線的角度和強(qiáng)度，以找到電子密度及其化學(xué)鍵。這種分析對(duì)于了解工件在經(jīng)過(guò)電火花機(jī)加工前后的顯微硬度起著重要作用。顯微硬度主要取決于樣品中存在的碳的百分比。樣品中存在的碳百分比越多，預(yù)期的顯微硬度就越高。Li等在用傳統(tǒng)的Cu和Cu-SiC電極分別加工Ti-6Al-4V合金后進(jìn)行了XRD分析，如下圖所示。

XRD分析表明，TiC是由工件與介電油中發(fā)現(xiàn)的碳發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的。TiS2是由于工件和SiC之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的。使用CuSiC電極形成的表面比傳統(tǒng)Cu電極產(chǎn)生的表面具有更高的硬度。這是因?yàn)榧庸け砻嫔洗嬖赥iC和TiS2。Batish等使用EN31、H11和高碳高鉻（HCHCr）作為工件，研究了不同電極和電介質(zhì)對(duì)顯微硬度的影響。EN31采用銅電極加工，鋁粉與介電煤油混合。XRD 分析追蹤了加工工件表面上碳、鋁和銅的存在。由于工件的快速冷卻，形成了非晶區(qū)域。該區(qū)域增加了機(jī)加工 EN31 材料的整體硬度和脆性。還對(duì)使用鎢銅電極和鋁混合電介質(zhì)加工的 EN31 材料進(jìn)行了 XRD 分析。Al-C 存在于加工表面上，確保了更好的表面光潔度和更高的硬度。對(duì)由銅電極和煤油混合的石墨粉作為電介質(zhì)加工的 H11 材料進(jìn)行的 XRD 分析也可以看到非晶結(jié)構(gòu)。這種非晶結(jié)構(gòu)形成的原因是更高的脈沖導(dǎo)通時(shí)間、更低的脈沖關(guān)斷時(shí)間以及工件的快速冷卻。由于電火花加工而形成了Fe3C，它對(duì)提高硬度起著重要作用。此外，加工后銅含量也有所增加，這是通過(guò)XRD分析檢測(cè)到的。使用不同的粉末（鋁顆粒）加工相同的工件。XRD 分析追蹤了加工表面上鋁的存在，鋁進(jìn)入隕石坑，從而降低了表面粗糙度。形成了 Cohenite，它負(fù)責(zé)增加硬度。此外，銅百分比與以前一樣增加。他們還對(duì)HCHCr材料進(jìn)行了XRD分析，該材料使用碳化鎢電極和精煉礦物油與石墨粉混合作為電介質(zhì)進(jìn)行加工。碳化鉻鐵和碳化鐵是由于電火花加工過(guò)程中涉及的高溫而形成的。碳化鉻鐵中的鐵來(lái)自滲碳體相，增加了硬度，降低了整體機(jī)械應(yīng)力。此外，加工表面的碳百分比也有所增加。同樣的材料是用銅電極和煤油電介質(zhì)與石墨粉混合的。XRD分析發(fā)現(xiàn)電火花機(jī)加工表面存在七鉻碳化物（Cr7C3）。Cr7C3具有非常高的硬度，這可能是電火花機(jī)加工表面表面顯微硬度增加的潛在原因。晶體結(jié)構(gòu)主要是由于較高的脈沖關(guān)斷時(shí)間而形成的。

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