交變磁處理參數對W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的影響

朱 濤, 劉 政，鄧可月，沈俊波，吳 強

(江西理工大學機電工程學院, 贛州 341000)

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交變磁處理參數對W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的影響

朱 濤, 劉 政，鄧可月，沈俊波，吳 強

(江西理工大學機電工程學院, 贛州 341000)

基于前期采用Ansoft有限元分析軟件對自制磁能強化裝置進行建模仿真的基礎上，通過正交試驗的方法系統研究了磁場頻率、勵磁電壓、磁化時間和磁場方向對W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的影響規律，得到了最佳的交變磁處理參數，并對最佳參數下處理的高速鋼組織進行了觀察。結果表明：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為磁場頻率5 Hz，勵磁電壓30 V，磁化時間60 s，試樣被測表面和磁力線在同一個平面上；磁場頻率和勵磁電壓對硬度的影響最大，磁場方向和磁化時間的影響較弱；經最佳參數交變磁處理后，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；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，但目前的實用化程度還不高。而在傳統刀具表面鍍膜等[2-3]雖然可以提高刀具的使用壽命，但相關設備昂貴，成本高，工藝較復雜，污染嚴重。通過合理選擇刀具的幾何參數(刀具的后角、前角、主偏角、刀尖圓弧半徑等)與切削液、優化切削加工參數的方法已達到瓶頸，實現新突破的難度較大[4]。

交變磁處理是一種通過交變磁場與鋼鐵材料相互作用來改善鋼鐵材料力學性能的一種新方法。刀具的磁化處理就是將刀具置于磁場中，使刀具內部建立起磁致伸縮正負交替的磁致振動，改變刀具內部位錯的分布形態，使殘余應力被釋放出來，實現微觀或局部的塑性變形[5-7]，從而達到改善刀具使用壽命的目的。磁化處理具有操作簡單、加工設備成本低等優點，但目前該技術還處于起步階段，距工業應用還有一定距離，主要原因之一是磁化處理使材料性能得以提升的規律尚未完全掌握。具體表現在，針對某一材料，究竟應該采用怎樣的磁化參數(如磁場頻率、磁場強度、磁化時間、磁化方向等)才能使其力學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對自制磁能強化裝置進行仿真分析的基礎上，通過正交試驗，得到了使W6Mo5Cr4V2高速鋼具有最佳磁化效果的磁化參數,并分析了相應的顯微組織與硬度。

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　試樣制備與試驗方法

試驗材料為W6Mo5Cr4V2高速鋼，其化學成分(質量分數/%)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、調壓器和磁化器組成。其中，磁化器由電機改造而成。該交流磁化裝置利用變頻器將50 Hz交流電轉變為低頻交流電。調壓器為改變輸出電壓的裝置，通過改變線圈繞組中勵磁電流的大小，可達到調節磁場強度的目的。

影響磁化處理效果的因素眾多，作者根據影響程度，選擇磁場頻率、磁場強度、磁場方向(試樣放置位置)、磁化時間等作為試驗因素[8]，在前期研究的基礎上，初步確定了磁化時間和磁場頻率試驗水平。但對于低于10 Hz的磁場，磁場強度不能直接測得[9]，考慮到磁場強度和勵磁電壓密切相關，故利用Ansoft Maxwell軟件對磁能強化裝置進行建模和仿真，分析磁場強度變化規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表[11]，如表1所示。

試樣的磁化處理采用旋轉磁場進行，刀具放置位置選取了四個典型的處理方向，如圖1所示。

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

用HRS-150型數顯洛氏硬度計測試樣磁化處理前后的硬度，加載載荷為1 471 N，保載時間為6 s，取五個點的平均值：采用RECHART MEF3A型光學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　試驗結果與討論

2.1正交試驗結果

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　正交試驗結果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，根據正交試驗極差分析結果可知，磁場頻率和勵磁電壓對高速鋼硬度的影響最大，試樣放置位置和磁化時間對高速鋼硬度的影響較弱；在正交試驗所取磁化參數范圍內，提高W6Mo5Cr4V2高速鋼硬度的最佳參數為:磁場頻率5 Hz，電壓30 V，磁化時間60 s，試樣被測表面與磁力線在同一個平面上。

2.2磁場頻率對硬度的影響

從平均值上來看，當磁場頻率分別為4，5，6，7 Hz時，高速鋼的硬度分別提高了2.57，3.6，2.675，2.100 HRC。可見，隨著磁場頻率增加，高速鋼硬度的增加值呈先增大后減小的趨勢，且當磁場頻率為5 Hz時，硬度的增加值最大，磁化效果最佳。

磁力線在高速鋼試樣內滲透深度的增加可由集膚深度δ[12]表示。

(1)

式中：ω為激勵的角頻率，ω=2πf；f為勵磁電流的頻率；ur為導體的相對磁導率；u0為真空中的磁導率；σ為導體的電導率。

由式(1)可知，當頻率較低時，集膚深度較大，磁力線逐漸進入高速鋼試樣內部，提供殘余奧氏體向馬氏體轉變所需的能量，從而促進硬化層中的殘余奧氏體向馬氏體轉變[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，留給磁場的上升時間和下降時間也縮短了，導致磁場沒有足夠的下降時間以達到基值電流I0所對應的磁場B0，從而出現磁場振幅減小的現象，故高速鋼硬度的增加值下降。

2.3勵磁電壓對硬度的影響

由正交試驗結果可以看出，試驗中施加不同的勵磁電壓，試樣硬度的增加值各不相同。從平均值上來看，當勵磁電壓分別為10，20，30，40 V時，高速鋼的硬度增大了2.225，2.400，3.225，3.100 HRC。可見，隨著勵磁電壓增大，高速鋼硬度的增加值先增大后降低。基于磁化效果和節能上考慮，最佳的勵磁電壓為30 V。對因素的各個水平逐個進行分析后發現，在30 V勵磁電壓下進行磁化處理后，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，平均增加值達到了3.225 HRC。

高速鋼在磁場的作用下，位錯運動的激活能大幅降低，位錯的運動更容易進行。磁場強度越大，磁致伸縮效應越明顯，由磁致伸縮導致的磁致振動為位錯運動提供了必要的能量，促進了位錯分布的均勻化[14]。

2.4磁場方向對硬度的影響

在試驗條件下，磁場方向(試樣放置位置)對硬度也有一定影響，磁場方向的極差值達到了0.450。當試樣被測表面與初始時刻磁場平行時，硬度的增加值最大，為2.925 HRC；當試樣被測表面垂直于初始時刻磁場時，硬度的增加值最小，只有2.475 HRC。可見，采用旋轉磁場磁化時，試樣的放置位置對磁化效果也有一定影響，當試樣表面和磁力線在同一平面上時，磁化處理效果最好。

蔡志鵬等[15]通過研究發現，晶界沿磁場方向的移動距離比沿垂直于磁場方向的更明顯，殘余應力的變化也較為顯著。在外加交變磁場作用下，晶界處產生自由磁極，進而產生作用在晶界上的脈動應力，該脈動應力與晶界處的原始應力疊加，增大了晶界發生移動的幾率，從而導致高速鋼硬度增加。

2.5磁化時間對硬度的影響

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

2.6最佳工藝磁化后的顯微組織

金屬材料的力學性能在一定程度上取決于其組織。選取上述試驗中磁化效果最佳的試樣進行組織觀察，即磁化頻率為5 Hz，勵磁電壓為30 V，磁化時間為60 s，被測表面與磁力線在同一個平面上的試樣。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化，碳化物細化，且分布得較為均勻。

采用磁能強化裝置強化處理后，高速鋼內部的晶粒將產生磁致伸縮效應，磁疇發生連續轉動，同時必然伴隨著高速鋼內部晶格的微小振動，相鄰晶粒受到微觀沖擊，發生晶界移動和體積變化，從而影響其力學性能。有學者認為，碳化物均勻化引起了應力集中效應，基體界面處的表面能降低，基體晶格原子間結合力被破壞的激活動能增加，從而使得高速鋼的強度得到改善[16]。林健等[17]發現，鐵磁性材料經過交變磁化處理后，位錯重新分布，進而均勻化，殘余應力降低，相當于提升了材料的屈服強度，阻礙了壓入部位塑性變形的發生，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，磁化處理能夠在一定程度上引起試樣內部組織的變化，如晶粒細化，碳化物分布更為均勻等，這種由磁致伸縮效應導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　論

(1) 交變磁處理時，磁場頻率和勵磁電壓是影響磁化處理效果的關鍵因素,磁化時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條件為：磁場頻率5 Hz，勵磁電壓30 V，磁化時間60 s，試樣被測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68.6 HRC，與未磁化處理的相比增加了4.6 HRC。

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

[1]劉戰強,萬熠, 周軍.高速切削刀具材料及其應用[J]. 機械工程材料，2006,30(5):1-5.

[2]王啟民,黃健, 王成勇, 等.高速切削刀具物理氣相沉積涂層研究進展[J]. 航空制造技術, 2013(14):78-83.

[3]戴兵,王博, 張恒華, 等. 具有表面類金剛石膜高速鋼的耐磨性能[J]. 機械工程材料,2010,34(4):51-54.

[4]景旭文,唐馨如. 提高刀具耐用度的磁處理技術研究[J]. 機械設計與制造,2002(5):81-83.

[5]CAI Z P, ZHAO H Y. Plastic deformation caused by pulsed magnetic treatment of mid-carbon steel [J]. Materials Science and Engineering：A,2007,458(2):262-267.

[6]POLYARUS E N, OLIKER V E. Effect of magnetic field on residual stresses in NiAl-Re detonation coatings [J]. Powder Metallurgy and Metal Ceramics，2011,50(9/10):671-675.

[7]BOCKSTEDT J, KLAMECKI B E. Effects of pulsed magnetic field on thrust bearing washer hardness [J]. Wear,2007,262(9/10): 1086-1096.

[8]LEE C K, LEE W. The effect of magnetic fields for laser welding process using carbon steel [J]. International Journal of Precision Engineering and Manufacturing，2013,14(11):1915-1923.

[9]宋燕利. 低頻交變磁場作用下鐵磁性材料組織性能變化規律的研究[D].武漢：武漢理工大學，2008:35-36.

[10]李勇, 姜新通, 史慶夫, 等.基于Ansoft的IPM永磁同步電動機磁場計算[J].微特電機,2011(6):1-4.[11]方萍, 何延. 試驗設計與統計[M].杭州:浙江大學出版社, 2003.[12]SHEN J X, LI P, HAO H, et al. Study on electromagnetic losses in high-speed permanent magnet brushless machines-the state of the art [J]. Proceedings of the CSEE, 2013,33(3):62-74.

[13]CAI Z P, DUAN X J, LIN J, et al. Magnetostriction varieties and stress relief caused by pulsed magnetic field [J]. Journal of Mechanical Engineering,2011,6(3):354-358.

[14]LI Y J, TENG Y F, YANG Y S.Refinement mechanism of low voltage pulsed magnetic field on solidification structure of silicon steel [J]. Metals and Materials International, 2014,20(3):527-530.

[15]蔡志鵬，林健，趙海燕，等. 45#鋼在低頻間歇磁場作用下晶界移動現象的研究[J]. 清華大學學報(自然科學版)，2010，50(7):984-988.

[16]王昕. 脈沖磁化處理提高刀具使用壽命研究[D].大連.大連理工大學,2007:15-16.

[17]林健,趙海燕. 鋼鐵材料中殘余應力與磁致振動的相互作用關系[J].金屬學報,2008,44(4):451-456.

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

江西省教育廳重點科技項目資助(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

導師(通訊作者)：劉政教授