1Cr13不锈钢材料电火花表面强化技术的研究

摘要

电火花表面强化是直接利用电能的高能量密度对工件表面进行强化处理的工艺方法。通过电火花放电作用，将作为电极的导电材料熔渗进金属工件的表面，从而形成合金化的表面强化层，使工件表面的物理、化学和机械性能得到改善，并可在保持基体金属原始性能的前提下修复工件的表面损伤。本文针对水轮机过流部件磨蚀严重这一问题，开展水轮机叶片用1Cr13不锈钢材料电火花表面强化技术的研究，该项研究工作对提高水轮机叶片的表面抗磨蚀性能及使用寿命具有重要的意义。
　　本文对课题的研究背景及发展现状作了比较全面的综述，对电火花表面强化层的形成规律及其影响因素进行了深入研究，得到了电极-工件重量、强化层厚度及强化层表面形貌随强化时间、电极材料以及电参数的变化规律。结果表明，通过选择和控制强化工艺参数（放电电压、电容、脉冲频率、峰值电流、脉宽及强化时间等）可以在保证强化层厚度的前提下，有效地提高强化效率和强化层质量。
　　综合考虑实际放电过程中存在的熔融、气化等复杂相变现象，热源半径时变性以及热流密度不等幅性等因素对电火花表面强化过程的影响，采用等效比热法处理电火花表面强化过程中的相变潜热问题，应用APDL参数化编程完成对时变不等幅的单脉冲电火花放电热源的加载，建立了电极融滴在工件表面涂覆过程的有限元仿真模型，实现了对单脉冲电火花强化区域温度场及热应力场的数值模拟。系统地分析了温度场及热应力场随时间的变化规律，为电火花表面强化工艺方法的选择和控制提供了理论依据。
　　利用扫描电子显微镜和X射线衍射仪对强化层的金相组织、元素分布以及相结构进行分析，并通过显微硬度实验和试件长磨实验对强化层硬度及摩擦磨损性能进行研究。结果表明，强化层的硬度和耐磨性显著高于工件基体，强化层的硬度在白亮层最高，在强化层与基体的结合区硬度降低，在热影响区达到最低。选择高硬度、高合金化的电极材料及合理的电参数可以获得高硬度、高耐磨性能的强化层。选用YG6和WC电极生成的电火花表面强化层其硬度可比工件基体提高2~3倍，耐磨性能亦有显著提升。

目录

1Cr13不锈钢材料电火花表面强化技术的研究

RESEARCH ON THE EDM SURFACE STRENGTHENING OF STAINLESS STEEL 1Cr13

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪论

1.1 课题的来源

1.2 课题研究的目的和意义

1.3 电火花放电理论的研究现状

1.4 电火花表面强化加工工艺的研究现状

1.5 电火花表面强化有限元数值模拟的研究现状

1.6 电火花表面强化技术的发展趋势

1.7 本课题的主要研究内容

第2章 强化层的形成规律及其影响因素分析

2.1 引言

2.2 电火花表面强化的加工原理

2.3 电火花表面强化实验

2.3.1 电极的选择

2.3.2 工作介质的选择

2.3.3 实验设备简介

2.4 电极及工件重量随时间的变化规律

2.5 强化层厚度及其影响因素分析

2.5.1 放电电压对强化层厚度的影响

2.5.2 电容对强化层厚度的影响

2.5.3 放电脉冲频率对强化层厚度的影响

2.5.4 影响强化层增厚的因素分析

2.6 强化层表面形貌及其影响因素分析

2.6.1 电参数对强化层表面形貌的影响

2.6.2 强化时间对强化层表面形貌的影响

2.7 本章小结

第3章 电火花表面强化过程的有限元数值模拟

3.1 引言

3.2 单脉冲电火花放电热源模型的建立

3.3 气中单脉冲电火花表面强化过程有限元数值模拟

3.3.1 基本假设

3.3.2 边界条件

3.3.3 材料属性定义

3.3.4 几何建模及网格划分

3.3.5 温度场的有限元模拟结果及分析

3.3.6 热应力场的有限元模拟结果及分析

3.4 本章小结

第4章 强化层硬度及摩擦磨损性能的研究

4.1 引言

4.2 强化层的金相组织及元素分布

4.3 强化层的相结构分析

4.4 强化层的硬度及其影响因素分析

4.4.1 强化层硬度的测定

4.4.2 电参数对强化层硬度的影响

4.4.3 电极材料对强化层硬度的影响

4.5 强化层摩擦磨损性能的研究

4.5.1 实验设备及实验原理

4.5.2 强化层摩擦性能的研究

4.5.3 强化层磨损性能的研究

4.6 提高强化层耐磨性的方法

4.7 本章小结

结 论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢

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