˙ţT R E A T M E N T O F T O O L S T E E L
E D M O F T O O L S T E E L
W h e r e v e r t o o l s a r e m a d e
W h e r e v e r t o o l s a r e u s e d
E D M o f
T o o l S t e e l
C o n t e n t s
I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
T h e b a s i c p r i n c i p l e s o f E D M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
T h e e f f e c t s o f t h e E D M p r o c e s s o n t o o l s t e e l s . . . 3
M e a s u r i n g t h e e f f e c t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
A c h i e v i n g b e s t t o o l p e r f o r m a n c e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
P o l i s h i n g b y E D M . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0
S u m m a r y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0
T h i s i n f o r m a t i o n i s b a s e d o n o u r p r e s e n t s t a t e o f k n o w l e d g e a n d i s i n -
t e n d e d t o p r o v i d e g e n e r a l n o t e s o n o u r p r o d u c t s a n d t h e i r u s e s . I t
s h o u l d n o t t h e r e f o r e b e c o n s t r u e d a s a w a r r a n t y o f s p e c i f i c p r o p e r t i e s
o f t h e p r o d u c t s d e s c r i b e d o r a w a r r a n t y f o r f i t n e s s f o r a p a r t i c u l a r p u r -
p o s e .
2
E D M o f
T o o l S t e e l
I n t r o d u c t i o n
T h e u s e o f E l e c t r i c a l D i s c h a r g e M a c h i n i n g ( E D M )
i n t h e p r o d u c t i o n o f f o r m i n g t o o l s t o p r o d u c e p l a s -
t i c s m o u l d i n g s , d i e c a s t i n g s , f o r g i n g d i e s e t c . , h a s
b e e n f i r m l y e s t a b l i s h e d i n r e c e n t y e a r s . D e v e l o p -
m e n t o f t h e p r o c e s s h a s p r o d u c e d s i g n i f i c a n t r e -
f i n e m e n t s i n o p e r a t i n g t e c h n i q u e , p r o d u c t i v i t y a n d
a c c u r a c y , w h i l e w i d e n i n g t h e v e r s a t i l i t y o f t h e p r o -
1 0 0 X
c e s s .
F i g . 1 . A r o u g h - m a c h i n e d E D M s u r f a c e w i t h a c r o s s
W i r e E D M h a s e m e r g e d a s a n e f f i c i e n t a n d
s e c t i o n t h r o u g h c h i p s a n d c r a t e r s . M a t e r i a l : O R V A R 2
e c o n o m i c a l t e r n a t i v e t o c o n v e n t i o n a l m a c h i n i n g o f
M i c r o d i z e d .
a p e r t u r e s i n m a n y t y p e s o f t o o l i n g , e . g . b l a n k i n g
d i e s , e x t r u s i o n d i e s a n d f o r c u t t i n g e x t e r n a l
s h a p e s , s u c h a s p u n c h e s . F o u r m a i n f a c t o r s n e e d t o b e t a k e n i n t o a c -
S p e c i a l f o r m s o f E D M c a n n o w b e u s e d t o c o u n t w h e n c o n s i d e r i n g t h e o p e r a t i n g p a r a m e t e r s
p o l i s h t o o l c a v i t i e s , p r o d u c e u n d e r c u t s a n d m a k e d u r i n g a n E D M o p e r a t i o n o n t o o l s t e e l :
c o n i c a l h o l e s u s i n g c y l i n d r i c a l e l e c t r o d e s .
" t h e s t o c k - r e m o v a l r a t e
E D M c o n t i n u e s t o g r o w , t h e r e f o r e , a s a m a j o r
" t h e r e s u l t a n t s u r f a c e f i n i s h
p r o d u c t i o n t o o l i n m o s t t o o l m a k i n g c o m p a n i e s ,
" e l e c t r o d e w e a r
m a c h i n i n g w i t h e q u a l e a s e h a r d e n e d o r a n n e a l e d
" t h e e f f e c t s o n t h e t o o l s t e e l .
s t e e l .
T h e i n f l u e n c e o f t h e E D M o p e r a t i o n o n t h e
U d d e h o l m T o o l i n g s u p p l i e s a f u l l r a n g e o f t o o l
s t e e l s n o t e d f o r c o n s i s t e n c y i n s t r u c t u r e . T h i s f a c - s u r f a c e p r o p e r t i e s o f t h e m a c h i n e d m a t e r i a l , c a n i n
u n f a v o u r a b l e c i r c u m s t a n c e s j e o p a r d i z e t h e w o r k -
t o r , c o u p l e d w i t h v e r y l o w s u l p h u r l e v e l s e n s u r e s
i n g p e r f o r m a n c e o f t h e t o o l . I n s u c h c a s e s i t m a y
c o n s i s t e n t E D M p e r f o r m a n c e .
b e n e c e s s a r y t o s u b o r d i n a t e t h e f i r s t t h r e e f a c t o r s ,
T h i s b r o c h u r e g i v e s i n f o r m a t i o n o n :
w h e n c h o o s i n g m a c h i n i n g p a r a m e t e r s , i n o r d e r t o
" T h e b a s i c p r i n c i p l e s o f E D M
o p t i m i z e t h e f o u r t h .
" T h e e f f e c t s o f t h e E D M p r o c e s s o n t o o l
s t e e l s
" A c h i e v i n g b e s t t o o l p e r f o r m a n c e .
T h e e f f e c t s o f
t h e E D M p r o c e s s
T h e b a s i c p r i n c i p l e s
o n t o o l s t e e l s
o f E D M
T h e i n f l u e n c e o f s p a r k e r o s i o n o n t h e m a c h i n e d
E l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g ( s p a r k e r o s i o n ) i s a
m a t e r i a l i s c o m p l e t e l y d i f f e r e n t t o t h a t o f c o n v e n -
m e t h o d i n v o l v i n g e l e c t r i c a l d i s c h a r g e s b e t w e e n a n
t i o n a l m a c h i n i n g m e t h o d s .
a n o d e ( g r a p h i t e o r c o p p e r ) a n d a c a t h o d e ( t o o l
A s n o t e d , t h e s u r f a c e o f t h e s t e e l i s s u b j e c t e d
s t e e l o r o t h e r t o o l i n g m a t e r i a l ) i n a d i e l e c t r i c m e -
t o v e r y h i g h t e m p e r a t u r e s , c a u s i n g t h e s t e e l t o
d i u m . T h e d i s c h a r g e s a r e c o n t r o l l e d i n s u c h a w a y
m e l t o r v a p o r i z e . T h e e f f e c t u p o n t h e s t e e l s u r f a c e
t h a t e r o s i o n o f t h e t o o l o r w o r k p i e c e t a k e s p l a c e .
h a s b e e n s t u d i e d b y U d d e h o l m T o o l i n g t o e n s u r e
D u r i n g t h e o p e r a t i o n , t h e a n o d e ( e l e c t r o d e ) w o r k s
t h a t t h e t o o l m a k e r m a y e n j o y t h e m a n y b e n e f i t s o f
i t s e l f d o w n i n t o t h e w o r k p i e c e , w h i c h t h u s a c -
t h e E D M p r o c e s s , w h i l e p r o d u c i n g a t o o l t h a t w i l l
q u i r e s t h e s a m e c o n t o u r s a s t h e f o r m e r . T h e d i -
h a v e a s a t i s f a c t o r y p r o d u c t i o n l i f e .
e l e c t r i c , o r f l u s h i n g l i q u i d a s i t i s a l s o c a l l e d , i s i o n -
I n t h e m a j o r i t y o f c a s e s , i t h a s b e e n i m p o s s i b l e
i z e d d u r i n g t h e c o u r s e o f t h e d i s c h a r g e s . T h e p o s i -
t o t r a c e a n y i n f l u e n c e a t a l l o n t h e w o r k i n g f u n c t i o n
t i v e l y c h a r g e d i o n s s t r i k e t h e c a t h o d e , w h e r e u p o n
o f t h e s p a r k - e r o d e d t o o l . H o w e v e r , i t h a s b e e n
t h e t e m p e r a t u r e i n t h e o u t e r m o s t l a y e r o f t h e s t e e l
o b s e r v e d t h a t a t r i m m i n g t o o l , f o r e x a m p l e , h a s b e -
r i s e s s o h i g h ( 1 0 5 0 , 0 0 0 ° C , 1 8 9 0 , 0 0 0 ° F ) a s t o
c o m e m o r e w e a r r e s i s t a n t , w h i l e i n s o m e c a s e s
c a u s e t h e s t e e l t h e r e t o m e l t o r v a p o r i z e , f o r m i n g
t o o l f a i l u r e h a s o c c u r r e d p r e m a t u r e l y o n c h a n g i n g
t i n y d r o p s o f m o l t e n m e t a l w h i c h a r e f l u s h e d o u t a s
f r o m c o n v e n t i o n a l m a c h i n i n g t o E D M . I n o t h e r
c h i p p i n g s i n t o t h e d i e l e c t r i c . T h e c r a t e r s ( a n d
c a s e s , p h e n o m e n a h a v e o c c u r r e d d u r i n g t h e a c t u a l
o c c a s i o n a l l y a l s o c h i p s w h i c h h a v e n o t s e p a r a t e d
e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g t h a t h a v e c a u s e d
c o m p l e t e l y ) a r e e a s i l y r e c o g n i z e d i n a c r o s s - s e c t i o n
u n e x p e c t e d d e f e c t s o n t h e s u r f a c e o f t h e t o o l . T h i s
o f a m a c h i n e d s u r f a c e . S e e F i g . 1 .
d u e t o t h e f a c t t h a t t h e m a c h i n i n g h a s b e e n c a r r i e d
o u t i n a n u n s u i t a b l e m a n n e r .
3
E D M o f
T o o l S t e e l
S U R F A C E S T R E N G T H R E H A R D E N E D L A Y E R
A N I M P O R T A N T F A C T O R
I n t h e r e h a r d e n e d l a y e r , t h e t e m p e r a t u r e h a s
A l l t h e c h a n g e s t h a t c a n b e o b s e r v e d a r e d u e t o r i s e n a b o v e t h e a u s t e n i t i z i n g ( h a r d e n i n g ) t e m p e r a -
t h e e n o r m o u s t e m p e r a t u r e r i s e w h i c h o c c u r s i n t u r e a n d m a r t e n s i t e h a s b e e n f o r m e d . T h i s m a r t e n -
t h e s u r f a c e l a y e r . s i t e i s h a r d a n d b r i t t l e .
I n t h e s u r f a c e l a y e r , i t h a s b e e n o b s e r v e d t h a t t h e
f o u r ( m a i n ) f a c t o r s a s s o c i a t e d w i t h t h e a l l - i m p o r -
t a n t s u r f a c e s t r e n g t h o f t h e s t e e l a r e a f f e c t e d b y
t h i s t e m p e r a t u r e i n c r e a s e :
" t h e m i c r o s t r u c t u r e
" t h e h a r d n e s s
" t h e s t r e s s c o n d i t i o n
" c a r b o n c o n t e n t .
F i g . 2 s h o w s a s e c t i o n f r o m a n o r m a l r o u g h -
s p a r k - m a c h i n e d s u r f a c e w i t h t h e t y p i c a l , d i f f e r e n t
s t r u c t u r a l c h a n g e s .
M E L T E D A N D R E S O L I D I F I E D L A Y E R
T h e m e l t e d a n d r e s o l i d i f i e d l a y e r p r o d u c e d
d u r i n g t h e E D M p r o c e s s i s a l s o r e f e r r e d t o a s t h e
1 0 0 0 X
w h i t e z o n e , s i n c e g e n e r a l l y n o e t c h i n g t a k e s
p l a c e i n t h e s e a r e a s d u r i n g m e t a l l o g r a p h i c p r e p a - F i g . 3 . P i l l a r c r y s t a l s f o r m e d d u r i n g s o l i d i f i c a t i o n .
r a t i o n . F i g . 3 , n e v e r t h e l e s s , s h o w s c l e a r l y t h a t i t i s
a r a p i d l y s o l i d i f i e d l a y e r , w h e r e l o n g p i l l a r c r y s t a l s
h a v e g r o w n s t r a i g h t o u t f r o m t h e s u r f a c e o f t h e
T E M P E R E D L A Y E R
m e t a l d u r i n g s o l i d i f i c a t i o n . A f r a c t u r e o c c u r r i n g i n
I n t h e t e m p e r e d l a y e r , t h e s t e e l h a s n o t b e e n
t h i s l a y e r i n v a r i a b l y f o l l o w s t h e d i r e c t i o n o f t h e
h e a t e d u p s o m u c h a s t o r e a c h h a r d e n i n g t e m p e r a -
c r y s t a l s . I n n o r m a l r o u g h m a c h i n i n g , t h i s l a y e r h a s
t u r e a n d t h e o n l y t h i n g t h a t h a s o c c u r r e d i s t e m -
a t h i c k n e s s o f a b o u t 1 5 3 0 µ m .
p e r i n g - b a c k . T h e e f f e c t n a t u r a l l y d e c r e a s e s t o -
T h e c a r b o n c o n t e n t i n t h e s u r f a c e l a y e r c a n
w a r d s t h e c o r e o f t h e m a t e r i a l s e e t h e h a r d n e s s
a l s o b e a f f e c t e d , f o r i n s t a n c e , b y c a r b u r i z a t i o n f r o m
c u r v e i n F i g . 2 .
t h e f l u s h i n g l i q u i d o r f r o m t h e e l e c t r o d e , b u t d e c a r -
I n o r d e r t o s t u d y t h e s t r u c t u r a l c h a n g e s i n -
b u r i z a t i o n c a n a l s o o c c u r .
c u r r e d w i t h d i f f e r e n t m a c h i n i n g v a r i a b l e s , d i f f e r e n t
t o o l s t e e l s s e e t a b l e 1 w e r e r o u g h - m a c h i n e d
a n d f i n e - m a c h i n e d w i t h g r a p h i t e e l e c t r o d e s .
4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0
H
v
M e l t e d a n d
r e s o l i d i f i e d l a y e r
R e h a r d e n e d l a y e r
T e m p e r e d l a y e r
U n a f f e c t e d m a t r i x
2 0 0 X
T y p i c a l h a r d n e s s d i s t r i b u t i o n
i n t h e s u r f a c e l a y e r .
F i g . 2 . S e c t i o n f r o m a s p a r k - m a c h i n e d s u r f a c e s h o w i n g c h a n g e s i n s t r u c t u r e .
M a t e r i a l : R I G O R , h a r d e n e d t o 5 7 H R C .
4
E D M o f
T o o l S t e e l
A u s t e n i t i z i n g T e m p e r i n g
T i m e 2 0 m i n T i m e 2 x 3 0 m i n H a r d n e s s
S t e e l g r a d e A I S I T e m p e r a t u r e T e m p e r a t u r e H a r d e n e d A n n e a l e d
° C ° F ° C ° F H R C H B
A R N E O 1 8 1 0 1 4 9 0 2 2 0 4 3 0 6 0 1 9 0
C A L M A X 9 6 0 1 7 6 0 2 0 0 3 9 2 5 8 2 0 0
R I G O R A 2 9 4 0 1 7 2 5 2 2 0 4 3 0 6 0
S V E R K E R 2 1 D 2 1 0 2 0 1 8 7 0 2 5 0 4 8 0 6 0 2 2 0
G R A N E ( L 6 ) 8 4 0 1 5 4 0 2 5 0 4 8 0 5 4
I M P A X S U P R E M E P 2 0 8 5 0 1 5 6 0 5 8 0 1 0 7 5 3 0
O R V A R S U P R E M E H 1 3 1 0 2 5 1 8 7 5 5 6 0 1 0 4 0 5 0 1 8 0
T a b l e 1 . T h e t o o l s t e e l s w e r e t e s t e d i n t h e h a r d e n e d a n d t e m p e r e d c o n d i t i o n , a n d s o m e o f t h e m
a l s o i n t h e a n n e a l e d c o n d i t i o n .
T h i c k n e s s
N o t e : A s C O R R A X i s a p r e c i p i t a t i o n h a r d e n i n g
µ m
s t e e l t h e E D M s u r f a c e h a s d i f f e r e n t c h a r a c t e r i s -
G r a p h i t e e l e c t r o d e
6 0
t i c s . T h e w h i t e l a y e r c o n s i s t s o f m e l t e d a n d
r e s o l i d i f i e d m a t e r i a l w i t h a h a r d n e s s o f a p p r o x .
4 0
3 4 H R C . T h e r e w i l l b e n o o t h e r h e a t a f f e c t e d z o n e
2 0 M e l t e d z o n e
o f i m p o r t a n c e .
H a r d e n d e d z o n e
0
M a t r i x
1 0 0 2 0 0 5 0 0 1 0 0 0 t i µ s e c
5 1 9 1 5 ( A )
( B )
( C )
M e a s u r i n g t h e e f f e c t s
N o . o f c r a c k s p e r c m : ( A ) i n m e l t e d z o n e
( B ) i n h a r d e n e d z o n e
T h e t h i c k n e s s e s o f t h e h e a t - a f f e c t e d z o n e s h a v e
( C ) i n m a t r i x
b e e n m e a s u r e d . T h e h a r d n e s s e s i n t h e s e z o n e s
h a v e a l s o b e e n m e a s u r e d , a s h a v e c r a c k f r e -
F i g . 4 b . A s a b o v e , b u t f o r e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g
q u e n c i e s a n d c r a c k d e p t h s . S t r e n g t h v a l u e s
o f O R V A R S U P R E M E i n t h e a n n e a l e d c o n d i t i o n .
h a v e b e e n o b t a i n e d t h r o u g h b e n d i n g t e s t s .
T h e l a y e r t h i c k n e s s e s a p p e a r t o b e l a r g e l y
i n d e p e n d e n t o f b o t h s t e e l g r a d e a n d e l e c t r o d e T h e l a y e r t h i c k n e s s e s c a n v a r y c o n s i d e r a b l y ,
m a t e r i a l . O n t h e o t h e r h a n d , t h e r e i s a d e f i n i t e d i f - f r o m 0 µ m t o m a x i m u m v a l u e s s l i g h t l y b e l o w t h e
f e r e n c e b e t w e e n t h e s p e c i m e n s w h i c h h a v e b e e n R s p e c i f i e d i n t h e m a c h i n i n g d i r e c t i o n s . I n t h e
m a x
h a r d e n e d a n d t h o s e w h i c h w e r e i n t h e s o f t a n n e a l - r o u g h - m a c h i n i n g s t a g e s ( t i e"1 0 0 µ s e c ) , t h e t h i c k -
e d c o n d i t i o n . F i g . 4 s h o w s , i n t h e f o r m o f g r a p h s , n e s s e s o f t h e l a y e r s v a r y f a r m o r e s u b s t a n t i a l l y
t h e l a y e r t h i c k n e s s e s a n d f i s s u r e f r e q u e n c y w i t h t h a n i n t h e f i n e - m a c h i n i n g s t a g e s . T h e t h i c k n e s s o f
d i f f e r e n t p u l s e d u r a t i o n s f o r O R V A R S U P R E M E . b o t h t h e m e l t e d a n d t h e h a r d e n e d z o n e i n c r e a s e s
I n t h e a n n e a l e d m a t e r i a l , t h e z o n e s a r e t h i n n e r a n d w i t h s p a r k d u r a t i o n , w h i c h a p p e a r s t o b e t h e m o s t
t h e f i s s u r e s f e w e r . T h e b r i t t l e , h a r d e n e d z o n e i s i m p o r t a n t s i n g l e c o n t r o l l i n g v a r i a b l e .
s c a r c e l y p r e s e n t a t a l l ( F i g . 4 b ) . T h e p i c t u r e b e l o w s h o w s t h e b e n e f i c i a l e f f e c t
o f f i n e - f i n i s h i n g , i . e . t o p r o d u c e a v e r y t h i n r e -
m e l t e d a n d h e a t - a f f e c t e d z o n e .
T h i c k n e s s
µ m
8 0
G r a p h i t e e l e c t r o d e
6 0
4 0 M e l t e d z o n e
2 0
H a r d e n d e d z o n e
0
M a t r i x
F i g . 5 . F i n e - m a c h i n e d R I G O R . P u l s e d u r a t i o n 1 0 µ s e c .
1 0 0 2 0 0 5 0 0 1 0 0 0 t i µ s e c
2 1 2 5 4 3 ( A )
3 ( B )
( C ) F i g . 4 a . L a y e r t h i c k n e s s e s a n d f i s s u r e f r e q u e n c y i n
t h e s u r f a c e l a y e r i n e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g o f
N o . o f c r a c k s p e r c m : ( A ) i n m e l t e d z o n e
h a r d e n e d ( 5 2 H R C ) O R V A R S U P R E M E a t d i f f e r e n t
( B ) i n h a r d e n e d z o n e
( C ) i n m a t r i x
p u l s e d u r a t i o n s .
5
E D M o f
T o o l S t e e l
S T R U C T U R E S O F
S P A R K - M A C H I N E D L A Y E R S
W i t h l o n g e r p u l s e d u r a t i o n , t h e h e a t i s c o n d u c t e d
m o r e d e e p l y i n t o t h e m a t e r i a l . H i g h e r c u r r e n t i n -
t e n s i t y a n d d e n s i t y ( a n d t h u s s p a r k e n e r g y ) d o ,
i n d e e d , g i v e a h i g h e r a m o u n t o f h e a t i n t h e s u r -
f a c e , b u t t h e t i m e t a k e n f o r t h e h e a t t o d i f f u s e ,
n e v e r - t h e l e s s , a p p e a r s t o h a v e t h e g r e a t e s t s i g n i f i -
c a n c e . T h e p i c t u r e s b e l o w s h o w h o w t h e s u r f a c e
z o n e s a r e c h a n g e d i n S V E R K E R 2 1 w i t h d i f f e r e n t
p u l s e d u r a t i o n s a n d e l e c t r o d e m a t e r i a l s .
t i = 2 0 0 µ s . M a g n i f i c a t i o n 5 0 0 X
M a t e r i a l : S V E R K E R 2 1 i n h a r d e n e d a n d t e m p e r e d
F i g . 6 d . C o p p e r e l e c t r o d e .
c o n d i t i o n
t i = 5 0 0 µ s . M a g n i f i c a t i o n 5 0 0 X
t i = 1 0 µ s . M a g n i f i c a t i o n 5 0 0 X
F i g . 6 e . G r a p h i t e e l e c t r o d e .
F i g . 6 a . C o p p e r e l e c t r o d e .
T H E C A U S E O F A R C I N G
S h o r t o f f - t i m e s , o r p a u s e t i m e s , g i v e m o r e s p a r k s
p e r u n i t o f t i m e a n d t h u s m o r e s t o c k r e m o v a l .
D u r i n g t h e o f f - t i m e , t h e d i e l e c t r i c f l u i d m u s t h a v e
t i m e t o b e c o m e d e - i o n i z e d . T o o s h o r t a n o f f - t i m e
c a n r e s u l t i n d o u b l e s p a r k i n g i g n i t i o n s w h i c h
l e a d t o c o n s t a n t l y b u r n i n g a r c s b e t w e e n t h e e l e c -
t r o d e a n d t h e w o r k p i e c e , r e s u l t i n g i n s e r i o u s s u r -
f a c e d e f e c t s . T h e r i s k o f a r c i n g i s i n c r e a s e d i f
f l u s h i n g c o n d i t i o n s f o r t h e d i e l e c t r i c f l u i d a r e d i f f i -
c u l t .
A s a r e s u l t o f a r c i n g , i . e . a c o n d i t i o n i n w h i c h
a r c s a r e f o r m e d b e t w e e n l o c a l p a r t s o f t h e e l e c -
t i = 1 0 µ s . M a g n i f i c a t i o n 5 0 0 X
F i g . 6 b . G r a p h i t e e l e c t r o d e . t r o d e a n d t h e w o r k p i e c e , l a r g e c r a t e r s o r b u r n s
a r e f o r m e d i n t h e s u r f a c e . T h e s e h a v e f r e q u e n t l y
b e e n c o n f u s e d w i t h s l a g i n c l u s i o n s o r p o r o s i t y i n
t h e m a t e r i a l . F i g s . 7 a n d 8 s h o w t h e s u r f a c e o f a
t o o l w i t h a s e c t i o n t h r o u g h o n e o f t h e s u s p e c t e d
p o r e s .
O n e o f t h e p r i m a r y c a u s e s o f t h i s t y p e o f d e -
f e c t i s i n a d e q u a t e f l u s h i n g , o r m a c h i n i n g o f n a r r o w
s l o t s , e t c . , r e s u l t i n g i n c h i p s a n d o t h e r l o o s e p a r -
t i c l e s f o r m i n g a b r i d g e b e t w e e n t h e e l e c t r o d e a n d
t h e w o r k p i e c e . T h e s a m e e f f e c t c a n b e o b t a i n e d
w i t h a g r a p h i t e e l e c t r o d e w h i c h b e a r s t r a c e s o f f o r -
e i g n m a t e r i a l . O n m o d e r n m a c h i n e s f e a t u r i n g s o -
c a l l e d a d a p t i v e c u r r e n t c o n t r o l , t h e r i s k o f a r c i n g
h a s b e e n e l i m i n a t e d .
t i = 1 0 0 µ s . M a g n i f i c a t i o n 5 0 0 X
F i g . 6 c . G r a p h i t e e l e c t r o d e .
6
E D M o f
T o o l S t e e l
T h e d i f f e r e n c e i n s t o c k - r e m o v a l r a t e
a m o u n t s t o a m a x i m u m o f a p p r o x . 1 5 % b e t w e e n
t h e d i f f e r e n t g r a d e s o f t o o l s t e e l w i t h t h e s a m e
m a c h i n e s e t t i n g d a t a .
T h e h a r d n e s s e s i n t h e d i f f e r e n t l a y e r s c a n
a l s o v a r y c o n s i d e r a b l y , b u t i n p r i n c i p l e t h e s a m e
p a t t e r n a p p l i e s t o a l l g r a d e s . F i g . 9 s h o w s a t y p i c a l
h a r d n e s s d i s t r i b u t i o n . T h e d i f f e r e n c e i n h a r d n e s s
a n d v o l u m e b e t w e e n t h e l a y e r s g i v e s r i s e t o s t r e s -
s e s w h i c h , u p o n m e a s u r e m e n t , h a v e b e e n f o u n d t o
h a v e t h e s a m e d e p t h a s t h e a f f e c t e d s u r f a c e l a y e r s .
F i g 7 . T h e s u s p e c t e d p o r e s c a n b e s e e n o n t h e s u r f a c e
T h e s e s t r e s s e s c a n b e s u b s t a n t i a l l y r e d u c e d b y
o f t h e t o o l .
e x t r a h e a t - t r e a t m e n t o p e r a t i o n s .
R e n e w e d t e m p e r i n g ( 2 3 5 ° C , 4 5 5 ° F , 3 0 m i n ) o f
t h e s p e c i m e n i n t h e f i g u r e b e l o w r e s u l t e d i n l o w e r -
i n g o f t h e h a r d n e s s l e v e l t o t h e c u r v e d r a w n w i t h a
b r o k e n l i n e .
G r a p h i t e e l e c t r o d e
t i = 2 0 0 µ s e c
H V
1 0 0 0
8 0 0
F i g 8 . A s e c t i o n t h r o u g h o n e o f t h e s u s p e c t e d p o r e s .
6 0 0
F i s s u r e f r e q u e n c y a l s o i n c r e a s e s
4 0 0
w i t h p u l s e d u r a t i o n
H a r d n e s s i m m e d i a t e l y
W i t h t i m e s i n e x c e s s o f 1 0 0 µ s e c , a l l s t e e l s r e v e a l
a f t e r E D M
2 0 0
s e v e r a l c r a c k s i n t h e m e l t e d l a y e r . H i g h - c a r b o n
. . . . . . . . .
H a r d n e s s a f t e r
r e t e m p e r i n g
a n d / o r a i r - h a r d e n i n g s t e e l s s h o w t h e h i g h e s t f r e -
0
q u e n c y o f f i s s u r e s . T h e a n n e a l e d s p e c i m e n s c o n -
0 5 0 1 0 0 1 5 0 µ m
t a i n n o c r a c k s a t a l l i n t h e m a t r i x .
T h e n u m b e r o f c r a c k s w h i c h c o n t i n u e d o w n
F i g . 9 . T y p i c a l h a r d n e s s d i s t r i b u t i o n i n h a r d e n e d
i n t o t h e h a r d e n e d z o n e i s r o u g h l y 2 0 % , w h i l e o n l y
S V E R K E R 2 1 i m m e d i a t e l y a f t e r E D M a n d t h e n a f t e r
a v e r y f e w c r a c k s p e n e t r a t e i n t o t h e m a t r i x . I n t h e
r e - t e m p e r i n g .
m a t r i x , t h e f i s s u r e d e p t h i s s e l d o m m o r e t h a n
a b o u t s o m e t e n s o f a µ m . H e r e t o o , i t a p p l i e s t h a t
c r a c k s i n t h e m a t r i x a r e m a i n l y e n c o u n t e r e d i n t h e
h i g h l y - a l l o y e d c o l d - w o r k i n g s t e e l s .
I f e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g i s p r o p e r l y
F o l l o w i n g t a b l e s h o w s t h e o c c u r r e n c e r a t e o f
p e r f o r m e d w i t h a f i n a l f i n e - m a c h i n e d s t a g e , s u r f a c e
f i s s u r e s i n a n u m b e r o f t e s t e d t o o l s t e e l s .
d e f e c t s a r e l a r g e l y e l i m i n a t e d . I f t h i s i s n o t p o s s i b l e
f o r o n e r e a s o n o r a n o t h e r , o r i f i t i s n e c e s s a r y f o r
M e l t e d H a r d e n e d a l l e f f e c t s t o b e e l i m i n a t e d , s o m e d i f f e r e n t r e l a t e d
z o n e z o n e M a t r i x
o p e r a t i o n s c a n b e u s e d :
H i g h - a l l o y
" S t r e s s - r e l i e f t e m p e r i n g a t a t e m p e r i n g t e m -
c o l d - w o r k s t e e l
p e r a t u r e a p p r o x . 1 5 ° C ( 3 0 ° F ) l o w e r t h a n t h a t
S V E R K E R t y p e 2 0 5 0 2 1 0 0 5
p r e v i o u s l y u s e d t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e , l o w e r s
H o t - w o r k s t e e l
O R V A R t y p e 1 0 4 0 2 5 0 2
t h e s u r f a c e h a r d n e s s w i t h o u t i n f l u e n c i n g t h e
C o l d - w o r k s t e e l s
h a r d n e s s o f t h e m a t r i x .
R I G O R
" G r i n d i n g o r p o l i s h i n g w i l l r e m o v e b o t h t h e
A R N E t y p e s 1 0 3 0 0 5 0 2
s u r f a c e s t r u c t u r e a n d c r a c k s , d e p e n d i n g o f
P l a s t i c - m o u l d i n g
s t e e l s
c o u r s e o n h o w d e e p l y i t i s d o n e ( a p p r o x . 5 1 0
I M P A X
µ m i n f i n e - m a c h i n i n g ) .
S U P R E M E t y p e 0 5 0 2 0
T a b l e 2 .
7
E D M o f
T o o l S t e e l
B E N D I N G T E S T
A c h i e v i n g b e s t
T o e v a l u a t e t h e l i k e l y e f f e c t o f t h e r e m e l t e d l a y e r ,
s u r f a c e i r r e g u l a r i t i e s a n d c r a c k s p r o d u c e d i n t h e t o o l p e r f o r m a n c e
E D M p r o c e s s o n t h e s t r e n g t h o f a t o o l , a b e n d i n g
t e s t w a s c a r r i e d o u t . V a r i o u s c o m b i n a t i o n s o f E D M
E D M U S I N G S O L I D E L E C T R O D E S
s u r f a c e f i n i s h a n d p o s t t r e a t m e n t s , e . g . s t r e s s -
( C O P P E R / G R A P H I T E )
r e l i e v i n g / p o l i s h i n g , w e r e t e s t e d o n 5 m m s q u a r e
A s n o t e d , i n m o s t c a s e s w h e r e t h e E D M p r o c e s s
t e s t p i e c e s o f R I G O R a t 5 7 H R C . T h e t e s t p i e c e s
h a s b e e n c a r e f u l l y c a r r i e d o u t n o a d v e r s e e f f e c t i s
w e r e s p a r k - m a c h i n e d o n o n e f a c e t o d i f f e r e n t
e x p e r i e n c e d o n t o o l p e r f o r m a n c e . A s a p r e c a u -
E D M s t a g e s a n d b e n t s e v e r e l y , w i t h t h e E D M s u r -
t i o n a r y m e a s u r e , h o w e v e r , t h e f o l l o w i n g s t e p s a r e
f a c e o n t h e o u t s i d e o f t h e b e n d .
r e c o m m e n d e d :
F i g . 1 0 s h o w s t h a t t h e s a m p l e w i t h a f i n e - s p a r k
m a c h i n e d f i n i s h w h i c h h a d b e e n p o l i s h e d a f t e r -
E D M o f h a r d e n e d a n d t e m p e r e d m a t e r i a l
w a r d s g a v e t h e b e s t r e s u l t . T h e r o u g h s p a r k -
m a c h i n e d s a m p l e , w i t h o u t a n y p o s t t r e a t m e n t , h a d
A C o n v e n t i o n a l m a c h i n i n g
t h e l o w e s t b e n d i n g s t r e n g t h .
B H a r d e n i n g a n d t e m p e r i n g
C I n i t i a l E D M , a v o i d i n g a r c i n g a n d e x c e s s i v e
B e n d i n g s t r e n g t h s t o c k r e m o v a l r a t e s . F i n i s h w i t h f i n e - s p a r k -
N / m m 2
i n g , i . e . l o w c u r r e n t , h i g h f r e q u e n c y .
1 2 0 0
D ( i ) G r i n d o r p o l i s h E D M s u r f a c e
1 1 0 0
o r D ( i i ) T e m p e r t h e t o o l a t 1 5 ° C ( 3 0 ° F ) l o w e r t h a n
1 0 0 0 t h e o r i g i n a l t e m p e r i n g t e m p e r a t u r e .
o r D ( i i i ) C h o o s e a l o w e r s t a r t i n g h a r d n e s s o f t h e
9 0 0
t o o l t o i m p r o v e o v e r a l l t o u g h n e s s .
8 0 0
7 0 0
6 0 0
E D M o f a n n e a l e d m a t e r i a l
5 0 0
A C o n v e n t i o n a l m a c h i n i n g
4 0 0
B I n i t i a l E D M , a s C a b o v e .
3 0 0
C G r i n d o r p o l i s h E D M s u r f a c e . T h i s r e d u c e s t h e
r i s k o f c r a c k f o r m a t i o n d u r i n g h e a t i n g a n d
2 0 0
q u e n c h i n g . S l o w p r e - h e a t i n g , i n s t a g e s , t o t h e
1 0 0
h a r d e n i n g t e m p e r a t u r e i s r e c o m m e n d e d .
0
F i g . 1 0 . B e n d i n g s t r e n g t h a t d i f f e r e n t E D M s t a g e s a n d
N o t e : W h e n E D M d i n s o l u t i o n a n n e a l e d c o n d i t i o n
w i t h d i f f e r e n t s u b s e q u e n t o p e r a t i o n . M a t e r i a l R I G O R
t h e t o u g h n e s s o f C O R R A X i s n o t a f f e c t e d .
5 7 H R C . T h e s h a d e d a r e a s s h o w t h e s p r e a d o f t h e
I t i s r e c o m m e n d e d t h a t a l l E D M i n g i s d o n e
r e s u l t s m e a s u r e d .
a f t e r a g i n g s i n c e a n a g i n g a f t e r E D M i n g w i l l
r e d u c e t h e t o u g h n e s s .
I t i s r e c o m m e n d e d t h a t t h e w h i t e l a y e r i s
r e m o v e d b y g r i n d i n g , s t o n i n g o r p o l i s h i n g .
B A C K G R O U N D T O
T H E B E N D I N G T E S T R E S U L T S
T h e h a r d , r e - s o l i d i f i e d r e h a r d e n e d l a y e r s c a u s e , i n
t h e f i r s t i n s t a n c e , t h o s e c r a c k s w h i c h a r e f o r m e d
u p o n a p p l i c a t i o n o f t h e l o a d a n d i n t h e s e c o n d i n -
s t a n c e t h o s e w h i c h w e r e a l r e a d y p r e s e n t t o a c t a s
i n i t i a t o r s o f f a i l u r e i n t h e m a t r i x . A t 5 7 H R C , t h e
m a t r i x i s n o t t o u g h e n o u g h t o s t o p t h e c r a c k s f r o m
g r o w i n g a n d c o n s e q u e n t l y t h e f a i l u r e o c c u r s
a l r e a d y o n t h e e l a s t i c p a r t o f t h e l o a d c u r v e . N o r -
m a l l y , t h e r e s h o u l d h a v e b e e n a c e r t a i n a m o u n t o f
p l a s t i c b e n d i n g o f a t e s t b a r i n t h i s m a t e r i a l .
8
R o u g h s p a r k - m a c h i n e d
F i n e s p a r k - m a c h i n e d
R o u g h s p a r k - m a c h i n e d
S t r e s s - r e l i e v e d
F i n e s p a r k - m a c h i n e d
S t r e s s - r e l i e v e d
F i n e s p a r k - m a c h i n e d
P o l i s h e d
E D M o f
T o o l S t e e l
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T h e o b s e r v a t i o n m a d e a b o u t t h e E D M s u r f a c e i n
e a r l i e r p a g e s a r e a l s o m o s t l y a p p l i c a b l e t o t h e w i r e
E D M - p r o c e s s . T h e a f f e c t e d s u r f a c e l a y e r , h o w -
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