朱 濤, 劉 政，鄧可月，沈俊波，吳 強(qiáng)

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 贛州 341000)

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交變磁處理參數(shù)對(duì)W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的影響

朱 濤, 劉 政，鄧可月，沈俊波，吳 強(qiáng)

(江西理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 贛州 341000)

基于前期采用Ansoft有限元分析軟件對(duì)自制磁能強(qiáng)化裝置進(jìn)行建模仿真的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)的方法系統(tǒng)研究了磁場(chǎng)頻率、勵(lì)磁電壓、磁化時(shí)間和磁場(chǎng)方向?qū)6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的影響規(guī)律，得到了最佳的交變磁處理參數(shù)，并對(duì)最佳參數(shù)下處理的高速鋼組織進(jìn)行了觀察。結(jié)果表明：交變磁處理可使高速鋼的硬度提高4.6 HRC；最佳的交變磁處理參數(shù)為磁場(chǎng)頻率5 Hz，勵(lì)磁電壓30 V，磁化時(shí)間60 s，試樣被測(cè)表面和磁力線在同一個(gè)平面上；磁場(chǎng)頻率和勵(lì)磁電壓對(duì)硬度的影響最大，磁場(chǎng)方向和磁化時(shí)間的影響較弱；經(jīng)最佳參數(shù)交變磁處理后，碳化物的分布更加均勻,且尺寸更小，從而使得高速鋼的硬度提高。

高速鋼；交變磁處理；正交試驗(yàn)；硬度

0　引　言

采用新型材料(如金剛石、陶瓷、立方氮化硼、金屬陶瓷[1]等)是提高切削刀具使用壽命的有效途徑之一，但目前的實(shí)用化程度還不高。而在傳統(tǒng)刀具表面鍍膜等[2-3]雖然可以提高刀具的使用壽命，但相關(guān)設(shè)備昂貴，成本高，工藝較復(fù)雜，污染嚴(yán)重。通過(guò)合理選擇刀具的幾何參數(shù)(刀具的后角、前角、主偏角、刀尖圓弧半徑等)與切削液、優(yōu)化切削加工參數(shù)的方法已達(dá)到瓶頸，實(shí)現(xiàn)新突破的難度較大[4]。

交變磁處理是一種通過(guò)交變磁場(chǎng)與鋼鐵材料相互作用來(lái)改善鋼鐵材料力學(xué)性能的一種新方法。刀具的磁化處理就是將刀具置于磁場(chǎng)中，使刀具內(nèi)部建立起磁致伸縮正負(fù)交替的磁致振動(dòng)，改變刀具內(nèi)部位錯(cuò)的分布形態(tài)，使殘余應(yīng)力被釋放出來(lái)，實(shí)現(xiàn)微觀或局部的塑性變形[5-7]，從而達(dá)到改善刀具使用壽命的目的。磁化處理具有操作簡(jiǎn)單、加工設(shè)備成本低等優(yōu)點(diǎn)，但目前該技術(shù)還處于起步階段，距工業(yè)應(yīng)用還有一定距離，主要原因之一是磁化處理使材料性能得以提升的規(guī)律尚未完全掌握。具體表現(xiàn)在，針對(duì)某一材料，究竟應(yīng)該采用怎樣的磁化參數(shù)(如磁場(chǎng)頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁化時(shí)間、磁化方向等)才能使其力學(xué)性能得到最大的提升。為此，作者在前期利用有限元分析軟件Ansoft對(duì)自制磁能強(qiáng)化裝置進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)正交試驗(yàn)，得到了使W6Mo5Cr4V2高速鋼具有最佳磁化效果的磁化參數(shù),并分析了相應(yīng)的顯微組織與硬度。

圖1　試樣的四種典型放置位置Fig.1　Four classical placements for sample:the surface of the sample measured (a) vertical to; (b) tangential to;(c) parallel to and (d) intersect to the initial electromagnetic field

1　試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料為W6Mo5Cr4V2高速鋼，其化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為0.87C,0.30Mn,0.45Si,4.1Cr,5.7W,5.2Mo,2.1V。其熱處理工藝為1 220 ℃淬火+560 ℃×2 h回火三次。采用線切割加工出17組尺寸為10 mm×10 mm×18 mm的試樣。

交流磁化裝置由交流電源、變頻器、調(diào)壓器和磁化器組成。其中，磁化器由電機(jī)改造而成。該交流磁化裝置利用變頻器將50 Hz交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榈皖l交流電。調(diào)壓器為改變輸出電壓的裝置，通過(guò)改變線圈繞組中勵(lì)磁電流的大小，可達(dá)到調(diào)節(jié)磁場(chǎng)強(qiáng)度的目的。

影響磁化處理效果的因素眾多，作者根據(jù)影響程度，選擇磁場(chǎng)頻率、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)方向(試樣放置位置)、磁化時(shí)間等作為試驗(yàn)因素[8]，在前期研究的基礎(chǔ)上，初步確定了磁化時(shí)間和磁場(chǎng)頻率試驗(yàn)水平。但對(duì)于低于10 Hz的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)強(qiáng)度不能直接測(cè)得[9]，考慮到磁場(chǎng)強(qiáng)度和勵(lì)磁電壓密切相關(guān)，故利用Ansoft Maxwell軟件對(duì)磁能強(qiáng)化裝置進(jìn)行建模和仿真，分析磁場(chǎng)強(qiáng)度變化規(guī)律和磁力線分布狀況[10]，參照W6Mo5Cr4V2高速鋼的磁能特性曲線，確立了四因素四水平的正交試驗(yàn)表[11]，如表1所示。

試樣的磁化處理采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)進(jìn)行，刀具放置位置選取了四個(gè)典型的處理方向，如圖1所示。

表1　交變磁處理的正交試驗(yàn)表Tab.1　Orthogonal experimental table of alternate magnetic treatment

用HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)試樣磁化處理前后的硬度，加載載荷為1 471 N，保載時(shí)間為6 s，取五個(gè)點(diǎn)的平均值：采用RECHART MEF3A型光學(xué)顯微鏡觀察試樣磁化前后的顯微組織，腐蝕劑為三酸乙醇溶液。

2　試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1正交試驗(yàn)結(jié)果

磁化處理前，試樣的硬度為64 HRC。磁化后的硬度如表2所示。

表2　正交試驗(yàn)結(jié)果Tab.2　Results of orthogonal test

由表2可以看出，磁化處理后，各試樣的硬度均有明顯增大，最高增大了4.6 HRC。另外，根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果可知，磁場(chǎng)頻率和勵(lì)磁電壓對(duì)高速鋼硬度的影響最大，試樣放置位置和磁化時(shí)間對(duì)高速鋼硬度的影響較弱；在正交試驗(yàn)所取磁化參數(shù)范圍內(nèi)，提高W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的最佳參數(shù)為:磁場(chǎng)頻率5 Hz，電壓30 V，磁化時(shí)間60 s，試樣被測(cè)表面與磁力線在同一個(gè)平面上。

2.2磁場(chǎng)頻率對(duì)硬度的影響

從平均值上來(lái)看，當(dāng)磁場(chǎng)頻率分別為4，5，6，7 Hz時(shí)，高速鋼的硬度分別提高了2.57，3.6，2.675，2.100 HRC?？梢?jiàn)，隨著磁場(chǎng)頻率增加，高速鋼硬度的增加值呈先增大后減小的趨勢(shì)，且當(dāng)磁場(chǎng)頻率為5 Hz時(shí)，硬度的增加值最大，磁化效果最佳。

磁力線在高速鋼試樣內(nèi)滲透深度的增加可由集膚深度δ[12]表示。

(1)

式中：ω為激勵(lì)的角頻率，ω=2πf；f為勵(lì)磁電流的頻率；ur為導(dǎo)體的相對(duì)磁導(dǎo)率；u0為真空中的磁導(dǎo)率；σ為導(dǎo)體的電導(dǎo)率。

由式(1)可知，當(dāng)頻率較低時(shí)，集膚深度較大，磁力線逐漸進(jìn)入高速鋼試樣內(nèi)部，提供殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變所需的能量，從而促進(jìn)硬化層中的殘余奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變[13]，使高速鋼表面的組織得到改善，從而提高其硬度。隨著頻率增大，周期縮短，留給磁場(chǎng)的上升時(shí)間和下降時(shí)間也縮短了，導(dǎo)致磁場(chǎng)沒(méi)有足夠的下降時(shí)間以達(dá)到基值電流I0所對(duì)應(yīng)的磁場(chǎng)B0，從而出現(xiàn)磁場(chǎng)振幅減小的現(xiàn)象，故高速鋼硬度的增加值下降。

2.3勵(lì)磁電壓對(duì)硬度的影響

由正交試驗(yàn)結(jié)果可以看出，試驗(yàn)中施加不同的勵(lì)磁電壓，試樣硬度的增加值各不相同。從平均值上來(lái)看，當(dāng)勵(lì)磁電壓分別為10，20，30，40 V時(shí)，高速鋼的硬度增大了2.225，2.400，3.225，3.100 HRC?？梢?jiàn)，隨著勵(lì)磁電壓增大，高速鋼硬度的增加值先增大后降低。基于磁化效果和節(jié)能上考慮，最佳的勵(lì)磁電壓為30 V。對(duì)因素的各個(gè)水平逐個(gè)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，在30 V勵(lì)磁電壓下進(jìn)行磁化處理后，試樣3，7，11，15的硬度都明顯增加，增加值分別為3.0，4.5，3.2，2.2 HRC，平均增加值達(dá)到了3.225 HRC。

高速鋼在磁場(chǎng)的作用下，位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的激活能大幅降低，位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更容易進(jìn)行。磁場(chǎng)強(qiáng)度越大，磁致伸縮效應(yīng)越明顯，由磁致伸縮導(dǎo)致的磁致振動(dòng)為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)提供了必要的能量，促進(jìn)了位錯(cuò)分布的均勻化[14]。

2.4磁場(chǎng)方向?qū)τ捕鹊挠绊?/p>

在試驗(yàn)條件下，磁場(chǎng)方向(試樣放置位置)對(duì)硬度也有一定影響，磁場(chǎng)方向的極差值達(dá)到了0.450。當(dāng)試樣被測(cè)表面與初始時(shí)刻磁場(chǎng)平行時(shí)，硬度的增加值最大，為2.925 HRC；當(dāng)試樣被測(cè)表面垂直于初始時(shí)刻磁場(chǎng)時(shí)，硬度的增加值最小，只有2.475 HRC?？梢?jiàn)，采用旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)磁化時(shí)，試樣的放置位置對(duì)磁化效果也有一定影響，當(dāng)試樣表面和磁力線在同一平面上時(shí)，磁化處理效果最好。

蔡志鵬等[15]通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，晶界沿磁場(chǎng)方向的移動(dòng)距離比沿垂直于磁場(chǎng)方向的更明顯，殘余應(yīng)力的變化也較為顯著。在外加交變磁場(chǎng)作用下，晶界處產(chǎn)生自由磁極，進(jìn)而產(chǎn)生作用在晶界上的脈動(dòng)應(yīng)力，該脈動(dòng)應(yīng)力與晶界處的原始應(yīng)力疊加，增大了晶界發(fā)生移動(dòng)的幾率，從而導(dǎo)致高速鋼硬度增加。

2.5磁化時(shí)間對(duì)硬度的影響

磁化時(shí)間也是影響硬度的一個(gè)重要因素。從平均值上看，磁化時(shí)間分別為30，60，120 s時(shí)，硬度分別增加了2.800，3.150，2.375 HRC?？梢?jiàn)，隨著磁化時(shí)間延長(zhǎng)，高速鋼硬度的增加值先增大后減小，最佳磁化時(shí)間為60 s。

2.6最佳工藝磁化后的顯微組織

金屬材料的力學(xué)性能在一定程度上取決于其組織。選取上述試驗(yàn)中磁化效果最佳的試樣進(jìn)行組織觀察，即磁化頻率為5 Hz，勵(lì)磁電壓為30 V，磁化時(shí)間為60 s，被測(cè)表面與磁力線在同一個(gè)平面上的試樣。由圖2可以看到，磁化處理前，高速鋼的組織為馬氏體和殘留奧氏體；磁化處理后，高速鋼的晶粒有所細(xì)化，碳化物細(xì)化，且分布得較為均勻。

采用磁能強(qiáng)化裝置強(qiáng)化處理后，高速鋼內(nèi)部的晶粒將產(chǎn)生磁致伸縮效應(yīng)，磁疇發(fā)生連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)必然伴隨著高速鋼內(nèi)部晶格的微小振動(dòng)，相鄰晶粒受到微觀沖擊，發(fā)生晶界移動(dòng)和體積變化，從而影響其力學(xué)性能。有學(xué)者認(rèn)為，碳化物均勻化引起了應(yīng)力集中效應(yīng)，基體界面處的表面能降低，基體晶格原子間結(jié)合力被破壞的激活動(dòng)能增加，從而使得高速鋼的強(qiáng)度得到改善[16]。林健等[17]發(fā)現(xiàn)，鐵磁性材料經(jīng)過(guò)交變磁化處理后，位錯(cuò)重新分布，進(jìn)而均勻化，殘余應(yīng)力降低，相當(dāng)于提升了材料的屈服強(qiáng)度，阻礙了壓入部位塑性變形的發(fā)生，從而使得試樣表面的顯微硬度得到提高。

圖2　高速鋼在最佳磁化條件下磁化處理前后的顯微組織Fig.2　Microstructure of high-speed steel before (a) and after (b) magnetization treatment under better magnetization conditions

綜上可見(jiàn)，磁化處理能夠在一定程度上引起試樣內(nèi)部組織的變化，如晶粒細(xì)化，碳化物分布更為均勻等，這種由磁致伸縮效應(yīng)導(dǎo)致的顯微組織的變化可提高高速鋼的硬度，從而改善其耐磨性能。

3　結(jié)　論

(1) 交變磁處理時(shí)，磁場(chǎng)頻率和勵(lì)磁電壓是影響磁化處理效果的關(guān)鍵因素,磁化時(shí)間和試樣放置位置是次要因素。

(2) W6Mo5Cr4V2高速鋼最佳的磁化處理?xiàng)l件為：磁場(chǎng)頻率5 Hz，勵(lì)磁電壓30 V，磁化時(shí)間60 s，試樣被測(cè)表面與磁力線在同一平面上;在此條件下處理后的硬度可達(dá)68.6 HRC，與未磁化處理的相比增加了4.6 HRC。

(3) W6Mo5Cr4V2高速鋼經(jīng)交變磁處理后，晶粒細(xì)化，碳化物分布更為均勻且尺寸變小，從而使得其硬度提高。

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Effects of Alternating Magnetic Parameters on Hardness of W6Mo5Cr4V2 High-Speed Steel

ZHU Tao, LIU Zheng, DENG Ke-yue, SHEN Jun-bo, WU Qiang

(School of Mechanical and Electronic Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China)

Based on modeling and simulating results of self-made magnetization unit using the finite element analysis software Ansoft, the effects of magnetic field frequency, excitation voltage, magnetization time and magnetic orientation on hardness of W6Mo5Cr4V2 high-speed steel were studied by orthogonal experiment method. The best alternating magnetic parameters were achieved and microstrucute under the best magnetic parameters were observed. The results show that alternating magnetic treatment could enhance the hardness of high-speed steel by 4.6 HRC. The optimal alternating magnetic parameters as followed: magnetic field frequency was 5 Hz, excitation voltage was 30 V, magnetization time was 60 s, measured surface of the sample was on the same plane with the magnetic field line. Magnetic field frequency and excitation voltage had the largest influence on hardness, and magnetic orientation and magnetization time had relative weak influnce. After alternating magnetic treatment with the best parameters, the hardness of high-speed steel increased due to more homogeneous and smaller carbides.

high-speed steel; alternating magnetic treatment; orthogonal experiment; hardness

10.11973/jxgccl201511012

2014-09-10；

2015-06-16

江西省教育廳重點(diǎn)科技項(xiàng)目資助(GJJ11021)

朱濤(1989-)，男，湖北荊州人，碩士研究生。

TG156.97;TG711

A

1000-3738(2015)11-0052-04

導(dǎo)師(通訊作者)：劉政教授