機械扭壓處理工藝參數探討范文

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《金屬學報》2015年第十二期

摘要：

對T2純銅表面進行機械扭壓處理(SMPT)后，分別研究SMPT工藝參數中的工具頭轉速、水平進給速度、下壓深度、處理次數以及潤滑方式對材料表面顯微硬度的影響。結果表明：當轉速由3000r/min上升至5000r/min時，材料表面顯微硬度逐漸增加，當轉速達到6000r/min時顯微硬度呈下降趨勢；工具頭水平進給速度對材料表層顯微硬度影響較小；下壓深度的增加可以提高材料表層顯微硬度；當處理次數為3次時顯微硬度達到最大值；采用水潤滑方式效果要大于采用油潤滑方式效果，而采用高溫潤滑脂效果最差。

關鍵詞：

純銅；表面機械壓扭處理；工藝參數；顯微硬度

超細晶金屬材料因其晶粒細小、位錯及缺陷密度高，表現出比傳統粗晶金屬材料更為優異的物理化學性能而倍受關注。金屬劇烈塑性變形(SPD)作為制備表面超細晶材料的一種工藝受到普遍的重視[13]。傳統金屬材料表面納米化的方法主要有等徑角擠壓(ECAP)[47]、高壓扭轉(HPT)[8]、表面機械研磨處理(SMAT)[911]、表面機械碾磨處理(SMGT)[1213]等。目前，HABIBI等[7]利用ECAP工藝將純銅擠壓10次后使其晶粒細化到70~200nm；牛娜等[14]利用SMAT處理Cu-4Ti合金60min后使表層晶粒尺寸達到17nm；SAMIH等[10]研究發現，材料經SMAT處理后晶粒尺寸呈梯度分布；盧柯等[11]利用SMGT工藝在純鎳棒表面制備出晶粒尺寸為11nm左右的梯度納米材料。金屬表面機械扭壓處理[15](Surfacemechanicalpressure-torsion，SMPT)是將高速旋轉的球形工具頭壓入材料表層一定深度后并在材料表層作水平移動，利用工具頭與材料之間產生的剪切摩擦力來達到細化材料表層晶粒的一種表面處理工藝，其原理如圖1所示。

本文作者所在課題組已經研究得出利用SMPT工藝可使材料表層依次形成細晶區、變形區以及基體粗晶區3種不同的組織形態，并證實了使用該方法可細化T2純銅和AZ31B鎂合金表面晶粒。因此，該工藝可以作為一種新型的表面晶粒細化方法制備超細晶金屬材料，且相比其他劇烈塑性變形方法，試樣表面粗糙度較低，變形層厚度較均勻，不受試樣外觀形狀的限制，處理軌跡具有柔性，可以對復雜形狀的工件進行表面細晶化處理。然而，關于SMPT工藝參數對基體表層晶粒細化程度的影響還沒有進行深入研究，因此本文作者分別選取SMPT工藝參數中的轉速(n)、進給速度(v)、下壓深度(∆z)、處理次數以及潤滑方式作為研究對象，研究不同工藝參數下SMPT對基體表層顯微硬度的影響，從而來衡量組織細化程度。

1實驗

本實驗中選取150mm×150mm×6mm的T2純銅板作為實驗材料，其化學成分如表1所列。將T2純銅板試樣進行退火熱處理，退火溫度873K，保溫60min，隨爐冷卻。初始實驗時選取轉速5000r/min，進給速度50mm/min，下壓深度0.2mm進行實驗，并將該參數作為初始實驗參數。

1.1SMPT處理后純銅的縱截面金相組織觀察將處理后試樣的縱截面打磨拋光成鏡面，采用5gFeCl3+5mLHCl+100mLH2O腐蝕溶液對試樣腐蝕15~20s，利用S3500N掃描電鏡觀測縱截面金相組織。

1.2轉速的影響測試將熱處理好的試樣進行SMPT實驗，為了探究工具頭轉速這一單因素的影響，實驗時將其他工藝參數固定不變即保持進給速度50，下壓深度0.2mm，潤滑方式為油潤滑。分別選取3000、4000、5000以及6000r/min這4種轉速進行SMPT處理實驗，處理面積大小為10mm×10mm；將試樣打磨拋光后利用FM700型數字顯微硬度儀測其表面顯微硬度，每個試樣測試5個點，加載載荷0.25N，加載時間15s，測量誤差為±2%。利用橫河MX100型數據采集器進行溫度收集，記錄間隔為0.1s，測量誤差為±0.25℃。

1.3進給速度的影響測試保持轉速為5000r/min，下壓深度為0.2mm以及油潤滑的工藝參數情況下，選取進給速度分別為10、50以及100mm/min，進行SMPT處理[16]。對處理后的試樣打磨拋光后利用FM700型數字顯微硬度儀測其表面顯微硬度，每個試樣測試5個點，求取平均值。

1.4下壓深度的影響測試選取工具頭下壓深度分別為0.1、0.3以及0.5mm，其他工藝參數與初始實驗的相同，進行工具頭壓入深度對材料表層細化程度的分析；利用顯微硬度儀測其表面顯微硬度，并觀測試樣縱截面金相組織。

1.5加工次數的影響測試在初始實驗參數下，對處理出來的表面分別進行多次重復加工，處理次數為1次、3次以及4次，并比較不同次數處理后顯微硬度的變化。

1.6潤滑方式的影響測試分別采用油潤滑、水潤滑以及高溫潤滑脂[17]3種潤滑方式作為SMPT處理過程中的潤滑冷卻介質，在保證其他工藝參數與初始實驗參數相同的情況下，研究不同潤滑方式下SMPT對材料表面顯微硬度產生的影響。記錄不同潤滑方式下溫升的變化并利用面接觸油膜潤滑測量儀[1819]測試油膜、脂膜以及水膜的厚度，壓力載荷設為20N。

2結果與分析

2.1縱截面金相組織經過SMPT處理后的T2純銅縱截面金相組織如圖2所示。由圖2可以看出，此時試樣的晶粒尺寸沿縱截面呈梯度分布，工具頭與試樣接觸的部分為處理層，約為20μm，晶粒尺寸達到最細。處于粗晶區與細晶區之間的為變形過渡層，約為70μm，變形層的晶粒沿金屬流動方向被拉長。SMPT晶粒細化機制與SMGT的相似，由于工具頭的高速旋轉，與工具頭接觸的部分在剪切力作用下發生劇烈的塑性流動，導致位錯的產生和增殖，SMPT處理過程中轉速較快致使應變速率提高，進而導致位錯密度進一步增加，形成位錯胞或位錯界面[9,13]。晶粒破碎細化以及位錯強化致使純銅表層顯微硬度提高，因此可以用處理后試樣的顯微硬度來表征表層晶粒細化情況。

2.2轉速的影響不同轉速下純銅表面的平均顯微硬度值如圖3所示。由圖3可以看出，退火態時顯微硬度為65HV，當轉速達到3000r/min時顯微硬度為147HV；轉速4000r/min時顯微硬度為164HV；轉速5000r/min時硬度為194HV；當轉速達到6000r/min時顯微硬度為174HV；可以明顯看出經過SMPT處理后試樣表層顯微硬度得到明顯上升，總的趨勢是顯微硬度先隨著轉速的增加而增加，當轉速達到6000r/min時，顯微硬度下降。當轉速增加時，材料表層的金屬流動會更加劇烈，材料表層所受的剪切作用力也會越來越大，對轉速為3000r/min和5000r/min處理后的試樣進行縱截面金相組織觀測，結果如圖4(a)所示。結果表明，當轉速為3000r/min時其細晶層大約為30μm，變形層大約為60μm；當轉速達到5000r/min時其細晶層大約為40μm，變形層大約為80μm(見圖4(b))。可見當轉速低于5000r/min時，隨著轉速的提高，細晶層以及變形層的厚度都會隨著增加，故轉速越高材料表面發生的變形越劇烈，材料表層晶粒破碎越嚴重，其晶粒尺寸越細小。當轉速達到6000r/min時，硬度下降的原因不明確，因此對其下降原因進行探究。金屬塑性變形過程中的摩擦熱對表層晶粒的回復有重要影響。故隨機選取表面的某一直線對不同轉速的摩擦熱進行研究，圖5所示為不同轉速下經SMPT處理后T2純銅單線的溫升變化曲線。結果表明，當轉速為5000r/min時材料表層溫度最高值為25℃左右(見圖5(a))，當轉速達到6000r/min時最高溫度升至32℃左右(見圖5(b))。由此可以看出SMPT處理過程中純銅表面產生的摩擦熱未達到純銅再結晶溫度[2021]，可見硬度的下降現象并不是由于溫度的變化造成的。可能是由于球形工具頭與材料表層發生“打滑”現象，導致材料表層發生的剪切變形變小，晶粒破碎程度下降，引起表層硬度下降。

2.3水平進給速度的影響圖6所示為不同進給速度下經SMPT工藝處理后T2純銅材料表層的顯微硬度平均值。由圖6可以看出，進給速度的增減對于SMPT處理效果影響不大，試樣表層顯微硬度變化波動較小。當工具頭在材料表層水平移動時，材料表層塑性變形的快慢并不影響晶粒破碎的程度。T2純銅為面心立方結構，大量研究表明，傳統的面心立方金屬其應變率敏感性較低，即符合隨著應變速率的增大，材料的強化傾向不明顯的特征。

2.4下壓深度的影響圖7所示為經不同下壓深度SMPT處理后T2純銅表面的顯微硬度。由圖7可知，當下壓深度Δz由0.1mm增加至0.3mm時硬度明顯上升，由116.38HV增至140.02HV，增加了20.3%左右；Δz由0.3mm增加至0.5mm時顯微硬度值增幅較小，由140.02HV增至142.54HV，只增加了1.8%左右。因此可以看出，隨著下壓深度的進一步增加，顯微硬度值的增幅逐漸減少。下壓深度的不同引起試樣發生剪切變形的程度會不同。圖8所示為不同下壓深度時試樣的縱截面金相組織形貌。下壓深度0.1mm時變形層的厚度較小(見圖8(a))，材料表層金屬發生的流動不如下壓深度0.5mm時的明顯，這是由于下壓深度不同時，球形工具頭與材料表層的接觸面積大小不同，材料表層所受剪切力不同；當壓入較深時，摩擦阻力的增大導致材料表層塑性變形程度增大，晶粒破碎更嚴重。

2.5加工次數的影響對T2純銅表面分別進行1、3、4次重復加工處理，并對處理后的表面進行顯微硬度測試，測試結果如圖9所示。從圖9可以看出，加工3次后試樣表面的顯微硬度明顯大于只加工1次的，當加工次數繼續增加時，其顯微硬度值開始下降。當次數低于3次時，在處理過程中隨著加工次數的增加，材料表層的塑性變形更加充分，當加工次數增加至4次后，材料表層金屬磨屑堆積現象嚴重，因而會影響表面晶粒的尺寸。

2.6潤滑方式的影響不同潤滑方式下經SMPT處理T2純銅表面顯微硬度如圖10所示。由圖10可以看出，當采用高溫潤滑脂時，其顯微硬度最低，平均為121.14HV；采用油潤滑時顯微硬度平均值為142.54HV；采用水潤滑時顯微硬度最高達到159.14左右。結果表明，不同潤滑方式下T2純銅表面顯微硬度不同，在潤滑效果最好時試樣的表面硬度達到最低，潤滑效果越差時表面硬度越高。在SMPT處理過程中潤滑冷卻方式不同，材料表層溫度不同。為了探究3種潤滑方式對試樣表層溫度的影響，隨機選取表面的某一直線對不同潤滑方式的摩擦熱進行研究。圖11所示為不同潤滑方式下經SMPT處理T2純銅表面的溫升變化曲線。通過圖11(a)可以看出，采用水潤滑時，溫度升高幅度最小，最高溫度僅為22℃左右，而采用高溫潤滑脂時最高溫度可達26℃左右(見圖12(b))，油潤滑時最高溫度處在脂和水之間(見圖5(a))。可以看出SMPT處理過程中，潤滑劑的冷卻效果對表層晶粒尺寸影響不大，三者均未達到純銅再結晶溫度。利用面接觸油膜潤滑測量儀測定載荷為20N時的油膜、脂膜以及水膜的厚度。圖12(a)所示為潤滑油的薄膜干涉圖像，圖12(b)所示為高溫潤滑脂的薄膜干涉圖像，圖12(c)所示為水的薄膜干涉圖像。圖13(a)所示為采用潤滑油的光強曲線圖，圖13(b)所示為采用高溫潤滑脂的光強曲線圖，圖13(c)所示為采用水潤滑的光強曲線圖，由式(1)計算薄膜厚度：高溫潤滑脂在同種工況下的薄膜厚度大于潤滑油的油膜厚度，即SMPT過程中潤滑脂的潤滑效果優于潤滑油的，水的潤滑效果最差。當旋轉的工具頭與材料表層金屬接觸時，潤滑效果越好產生的剪切力越小，表面的變形程度也相對越小，故使用潤滑脂潤滑時其表面顯微硬度值最小。

3結論

1)采用SMPT工藝對T2純銅表面進行處理，在保持其他工藝參數不變的情況下，當轉速達到5000r/min時材料表層顯微硬度達到最大，相比退火態的增大198%；其變形層厚度以及細晶層厚度相比轉速為3000r/min時的有所增加，當轉速達到6000r/min時表層顯微硬度下降。2)在SMPT處理過程中水平進給速度對材料表層顯微硬度影響較小。3)下壓深度的增加可使材料表層發生的變形更劇烈，從而提高材料表層的顯微硬度。4)T2純銅經SMPT處理3次后的表層顯微硬度提升效果較好，當處理次數達到4次時，表層顯微硬度呈下降趨勢。5)采用水潤滑方式時，材料表層的顯微硬度最高，采用油潤滑時的次之，采用高溫潤滑脂時的最差。

作者：高波 王進 高松松 張志剛 張曉博 單位：青島理工大學 機械工程學院