交变磁处理参数对W6Mo5Cr4V2高速钢硬度的影响

朱 涛, 刘 政，邓可月，沈俊波，吴 强

(江西理工大学机电工程学院, 赣州 341000)



交变磁处理参数对W6Mo5Cr4V2高速钢硬度的影响

朱 涛, 刘 政，邓可月，沈俊波，吴 强

(江西理工大学机电工程学院, 赣州 341000)

基于前期采用Ansoft有限元分析软件对自制磁能强化装置进行建模仿真的基础上，通过正交试验的方法系统研究了磁场频率、励磁电压、磁化时间和磁场方向对W6Mo5Cr4V2高速钢硬度的影响规律，得到了最佳的交变磁处理参数，并对最佳参数下处理的高速钢组织进行了观察。结果表明：交变磁处理可使高速钢的硬度提高4.6 HRC；最佳的交变磁处理参数为磁场频率5 Hz，励磁电压30 V，磁化时间60 s，试样被测表面和磁力线在同一个平面上；磁场频率和励磁电压对硬度的影响最大，磁场方向和磁化时间的影响较弱；经最佳参数交变磁处理后，碳化物的分布更加均匀,且尺寸更小，从而使得高速钢的硬度提高。

高速钢；交变磁处理；正交试验；硬度

0　引　言

采用新型材料(如金刚石、陶瓷、立方氮化硼、金属陶瓷[1]等)是提高切削刀具使用寿命的有效途径之一，但目前的实用化程度还不高。而在传统刀具表面镀膜等[2-3]虽然可以提高刀具的使用寿命，但相关设备昂贵，成本高，工艺较复杂，污染严重。通过合理选择刀具的几何参数(刀具的后角、前角、主偏角、刀尖圆弧半径等)与切削液、优化切削加工参数的方法已达到瓶颈，实现新突破的难度较大[4]。

交变磁处理是一种通过交变磁场与钢铁材料相互作用来改善钢铁材料力学性能的一种新方法。刀具的磁化处理就是将刀具置于磁场中，使刀具内部建立起磁致伸缩正负交替的磁致振动，改变刀具内部位错的分布形态，使残余应力被释放出来，实现微观或局部的塑性变形[5-7]，从而达到改善刀具使用寿命的目的。磁化处理具有操作简单、加工设备成本低等优点，但目前该技术还处于起步阶段，距工业应用还有一定距离，主要原因之一是磁化处理使材料性能得以提升的规律尚未完全掌握。具体表现在，针对某一材料，究竟应该采用怎样的磁化参数(如磁场频率、磁场强度、磁化时间、磁化方向等)才能使其力学性能得到最大的提升。为此，作者在前期利用有限元分析软件Ansoft对自制磁能强化装置进行仿真分析的基础上，通过正交试验，得到了使W6Mo5Cr4V2高速钢具有最佳磁化效果的磁化参数,并分析了相应的显微组织与硬度。

图1　试样的四种典型放置位置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　试样制备与试验方法

试验材料为W6Mo5Cr4V2高速钢，其化学成分(质量分数/%)为0.87C,0.30Mn,0.45Si,4.1Cr,5.7W,5.2Mo,2.1V。其热处理工艺为1 220 ℃淬火+560 ℃×2 h回火三次。采用线切割加工出17组尺寸为10 mm×10 mm×18 mm的试样。

交流磁化装置由交流电源、变频器、调压器和磁化器组成。其中，磁化器由电机改造而成。该交流磁化装置利用变频器将50 Hz交流电转变为低频交流电。调压器为改变输出电压的装置，通过改变线圈绕组中励磁电流的大小，可达到调节磁场强度的目的。

影响磁化处理效果的因素众多，作者根据影响程度，选择磁场频率、磁场强度、磁场方向(试样放置位置)、磁化时间等作为试验因素[8]，在前期研究的基础上，初步确定了磁化时间和磁场频率试验水平。但对于低于10 Hz的磁场，磁场强度不能直接测得[9]，考虑到磁场强度和励磁电压密切相关，故利用Ansoft Maxwell软件对磁能强化装置进行建模和仿真，分析磁场强度变化规律和磁力线分布状况[10]，参照W6Mo5Cr4V2高速钢的磁能特性曲线，确立了四因素四水平的正交试验表[11]，如表1所示。

试样的磁化处理采用旋转磁场进行，刀具放置位置选取了四个典型的处理方向，如图1所示。

表1　交变磁处理的正交试验表Tab.1　Orthogonal experimental table of alternate magnetic treatment

用HRS-150型数显洛氏硬度计测试样磁化处理前后的硬度，加载载荷为1 471 N，保载时间为6 s，取五个点的平均值：采用RECHART MEF3A型光学显微镜观察试样磁化前后的显微组织，腐蚀剂为三酸乙醇溶液。

2　试验结果与讨论

2.1正交试验结果

磁化处理前，试样的硬度为64 HRC。磁化后的硬度如表2所示。

表2　正交试验结果Tab.2　Results of orthogonal test

由表2可以看出，磁化处理后，各试样的硬度均有明显增大，最高增大了4.6 HRC。另外，根据正交试验极差分析结果可知，磁场频率和励磁电压对高速钢硬度的影响最大，试样放置位置和磁化时间对高速钢硬度的影响较弱；在正交试验所取磁化参数范围内，提高W6Mo5Cr4V2高速钢硬度的最佳参数为:磁场频率5 Hz，电压30 V，磁化时间60 s，试样被测表面与磁力线在同一个平面上。

2.2磁场频率对硬度的影响

从平均值上来看，当磁场频率分别为4，5，6，7 Hz时，高速钢的硬度分别提高了2.57，3.6，2.675，2.100 HRC。可见，随着磁场频率增加，高速钢硬度的增加值呈先增大后减小的趋势，且当磁场频率为5 Hz时，硬度的增加值最大，磁化效果最佳。

磁力线在高速钢试样内渗透深度的增加可由集肤深度δ[12]表示。

(1)

式中：ω为激励的角频率，ω=2πf；f为励磁电流的频率；ur为导体的相对磁导率；u0为真空中的磁导率；σ为导体的电导率。

由式(1)可知，当频率较低时，集肤深度较大，磁力线逐渐进入高速钢试样内部，提供残余奥氏体向马氏体转变所需的能量，从而促进硬化层中的残余奥氏体向马氏体转变[13]，使高速钢表面的组织得到改善，从而提高其硬度。随着频率增大，周期缩短，留给磁场的上升时间和下降时间也缩短了，导致磁场没有足够的下降时间以达到基值电流I0所对应的磁场B0，从而出现磁场振幅减小的现象，故高速钢硬度的增加值下降。

2.3励磁电压对硬度的影响

由正交试验结果可以看出，试验中施加不同的励磁电压，试样硬度的增加值各不相同。从平均值上来看，当励磁电压分别为10，20，30，40 V时，高速钢的硬度增大了2.225，2.400，3.225，3.100 HRC。可见，随着励磁电压增大，高速钢硬度的增加值先增大后降低。基于磁化效果和节能上考虑，最佳的励磁电压为30 V。对因素的各个水平逐个进行分析后发现，在30 V励磁电压下进行磁化处理后，试样3，7，11，15的硬度都明显增加，增加值分别为3.0，4.5，3.2，2.2 HRC，平均增加值达到了3.225 HRC。

高速钢在磁场的作用下，位错运动的激活能大幅降低，位错的运动更容易进行。磁场强度越大，磁致伸缩效应越明显，由磁致伸缩导致的磁致振动为位错运动提供了必要的能量，促进了位错分布的均匀化[14]。

2.4磁场方向对硬度的影响

在试验条件下，磁场方向(试样放置位置)对硬度也有一定影响，磁场方向的极差值达到了0.450。当试样被测表面与初始时刻磁场平行时，硬度的增加值最大，为2.925 HRC；当试样被测表面垂直于初始时刻磁场时，硬度的增加值最小，只有2.475 HRC。可见，采用旋转磁场磁化时，试样的放置位置对磁化效果也有一定影响，当试样表面和磁力线在同一平面上时，磁化处理效果最好。

蔡志鹏等[15]通过研究发现，晶界沿磁场方向的移动距离比沿垂直于磁场方向的更明显，残余应力的变化也较为显著。在外加交变磁场作用下，晶界处产生自由磁极，进而产生作用在晶界上的脉动应力，该脉动应力与晶界处的原始应力叠加，增大了晶界发生移动的几率，从而导致高速钢硬度增加。

2.5磁化时间对硬度的影响

磁化时间也是影响硬度的一个重要因素。从平均值上看，磁化时间分别为30，60，120 s时，硬度分别增加了2.800，3.150，2.375 HRC。可见，随着磁化时间延长，高速钢硬度的增加值先增大后减小，最佳磁化时间为60 s。

2.6最佳工艺磁化后的显微组织

金属材料的力学性能在一定程度上取决于其组织。选取上述试验中磁化效果最佳的试样进行组织观察，即磁化频率为5 Hz，励磁电压为30 V，磁化时间为60 s，被测表面与磁力线在同一个平面上的试样。由图2可以看到，磁化处理前，高速钢的组织为马氏体和残留奥氏体；磁化处理后，高速钢的晶粒有所细化，碳化物细化，且分布得较为均匀。

采用磁能强化装置强化处理后，高速钢内部的晶粒将产生磁致伸缩效应，磁畴发生连续转动，同时必然伴随着高速钢内部晶格的微小振动，相邻晶粒受到微观冲击，发生晶界移动和体积变化，从而影响其力学性能。有学者认为，碳化物均匀化引起了应力集中效应，基体界面处的表面能降低，基体晶格原子间结合力被破坏的激活动能增加，从而使得高速钢的强度得到改善[16]。林健等[17]发现，铁磁性材料经过交变磁化处理后，位错重新分布，进而均匀化，残余应力降低，相当于提升了材料的屈服强度，阻碍了压入部位塑性变形的发生，从而使得试样表面的显微硬度得到提高。

图2　高速钢在最佳磁化条件下磁化处理前后的显微组织Fig.2　Microstructure of high-speed steel before (a) and after (b) magnetization treatment under better magnetization conditions

综上可见，磁化处理能够在一定程度上引起试样内部组织的变化，如晶粒细化，碳化物分布更为均匀等，这种由磁致伸缩效应导致的显微组织的变化可提高高速钢的硬度，从而改善其耐磨性能。

3　结　论

(1) 交变磁处理时，磁场频率和励磁电压是影响磁化处理效果的关键因素,磁化时间和试样放置位置是次要因素。

(2) W6Mo5Cr4V2高速钢最佳的磁化处理条件为：磁场频率5 Hz，励磁电压30 V，磁化时间60 s，试样被测表面与磁力线在同一平面上;在此条件下处理后的硬度可达68.6 HRC，与未磁化处理的相比增加了4.6 HRC。

(3) W6Mo5Cr4V2高速钢经交变磁处理后，晶粒细化，碳化物分布更为均匀且尺寸变小，从而使得其硬度提高。

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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

江西省教育厅重点科技项目资助(GJJ11021)

朱涛(1989-)，男，湖北荆州人，硕士研究生。

TG156.97;TG711

A

1000-3738(2015)11-0052-04

导师(通讯作者)：刘政教授