曾錫琴

(武進開放大學(xué)機電工程系，江蘇常州 213149)

0 前言

ZCuSn10Zn2鑄造銅合金具有良好的耐蝕性、耐磨性和切削加工性能，通常用于制造在重載、高速、較高溫條件下工作的受強烈摩擦的零件，如滑動軸承、連桿襯套、齒輪、蝸輪等，這些產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于紡織機械、注塑機械、礦山機械、工程機械、汽車工業(yè)等領(lǐng)域［1-2］。而在實際應(yīng)用中，由于這些零件的工作環(huán)境十分苛刻，通常會發(fā)生零件因摩擦失效而導(dǎo)致提前報廢的現(xiàn)象。因此研究人員開始研究各類表面處理技術(shù)來改善零件表面摩擦學(xué)性能［3-5］。其中，學(xué)者們基于彈性流體動力潤滑理論和仿生學(xué)理論提出了一種新的表面技術(shù)——激光表面微造型技術(shù)。它是采用高能激光束直接作用于摩擦副的表面，利用光的熱效應(yīng)將材料汽化、焦化、噴射和燃燒，從而使得材料表面發(fā)生質(zhì)量遷移，最終生成一定形狀尺寸規(guī)則排列的幾何形貌，以提高摩擦副的油膜承載力，改善潤滑效果，提高摩擦副表面摩擦學(xué)性能的一種技術(shù)［6］。目前，國內(nèi)外已有部分學(xué)者對不同材料的激光表面微造型技術(shù)的工藝和應(yīng)用進行了初步的探索，主要通過改變表面粗糙度和材料的表面性質(zhì)，適度提高表面仿生粗糙度參數(shù)，起到非光滑減黏降阻的作用［7-12］。ZCuSn10Zn2鑄造銅合金常被應(yīng)用于強摩擦場合，故研究激光表面微造型技術(shù)在該合金領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的工程價值。而ZCuSn10Zn2有其特殊的金屬屬性，如具有較強的凝固特性、易發(fā)生偏析等，故在激光高能作用下，其材料表層組織的演變機制及應(yīng)力轉(zhuǎn)變的過程尚不清楚。

文中采用YAG-M50燈泵浦微造型機對ZCuSn10Zn2表面進行交織走向激光微造型工藝試驗，系統(tǒng)研究不同激光參數(shù)對交織槽槽深、表面粗糙度、殘余應(yīng)力等的影響規(guī)律，為進一步優(yōu)化加工參數(shù)提供試驗依據(jù)。

1 試驗

1．1 試樣材料及制備

試樣材料為ZCuSn10Zn2銅合金，其化學(xué)成分和機械性能參數(shù)如表1、2所示。

表1 ZCuSn10Zn2合金的化學(xué)成分

表2 ZCuSn10Zn2合金的機械性能

試樣由激光切割成尺寸為20 mm×20 mm方形件，厚度為2 mm。所有試樣的表面由180#～1200#砂紙依次打磨，采用顆粒直徑為0．5 nm的拋光粉和拋光劑在金相試樣磨拋機進行拋光處理，拋光2 h成鏡面，拋光后表面粗糙度為0．05μm。然后用丙酮進行超聲波清洗后，放入干燥箱進行保存，最后經(jīng)過一定時間的自然時效處理，試樣中由機加工引起的殘余應(yīng)力達到最低水平。同時要保證上下表面的平行度。

1．2 試驗裝置與儀器

激光微造型設(shè)備為產(chǎn)自中國的YAG-M50燈泵浦微造型機，其最大激光功率為50 W，激光波長為1 064 nm，激光重復(fù)頻率≤50 kHz，標配雕掃描范圍為100×100 mm，雕刻深度≤0．4 mm，雕刻線速度≤7 000 mm/s，整機耗電功率為5．0 kW。

1．3 激光微造型參數(shù)及方案

為防止各微結(jié)構(gòu)之間存在應(yīng)力干涉的情況，分別在不同的基材上進行微造型。選擇微造型的形貌為2．5 mm×2．5 mm的交織網(wǎng)格狀，行列數(shù)均為5，如圖1所示。通過調(diào)節(jié)加工電流的大小改變激光能量，加工電流從11～19 A以0．5 A的增量遞增，共取得17組數(shù)據(jù)，由此研究激光能量對加工微溝槽深度、粗糙度、以及殘余應(yīng)力的影響。

圖1 激光微造型結(jié)構(gòu)圖案示意圖

2 結(jié)果與討論

2．1 表面形貌

圖2所示為不同激光能量下典型試樣激光微造型表面形貌顯微圖，取樣為圖1中的研究區(qū)域。

圖2 典型試樣激光微造型表面形貌顯微圖

由圖可知，在激光能量較低時，由于銅基合金材料的熔點較高，激光無法在材料上形成完全連續(xù)的微溝槽，而是呈一種點狀分布。隨著工作電流的增大，微造型的寬度逐漸增大。這是因為電流的增大使得脈沖峰值功率隨之增大，激光能量也逐漸增強，激光與材料表面發(fā)生劇烈的物理反應(yīng)，熱作用迅速增強，材料在短時間內(nèi)被熔化、汽化。當(dāng)電流達到17．5 A時，激光與材料之間以汽化作用為主，可以看出微溝槽件存在明顯的噴濺痕跡，這可能會導(dǎo)致材料表面粗糙度的增加。另外，從圖中還能看出，表面氧化效應(yīng)隨著激光能量的增大而增大，特別是圖2(d)中氧化效果明顯，這與Costil的研究結(jié)論一致［13］。

2．2 表面粗糙度

表面粗糙度的測量方法主要有比較法、觸針法、光切法和干涉法等，文中采用的是干涉法，也就是利用共聚焦顯微鏡測得。圖3所示電流分別為11．5、15．5、17．5 A時，材料微造型后微溝槽表面粗糙度Ra分別為67．783、1．558、7．857μm。

由形貌分析可知，在低電流下，激光無法在材料上形成完全連續(xù)的微溝槽，導(dǎo)致微溝槽粗糙度起伏較大。隨著激光能量的升高，激光對材料的熔蝕充分，可形成連續(xù)的微溝槽，當(dāng)熔融穩(wěn)定時，微溝槽表面較為穩(wěn)定，在15．5 A的電流下，粗糙度達到了1．558 μm。但隨著激光能量的進一步增加，微溝槽的表面粗糙度又呈一定的波動。特別在17．5 A的電流下，表面粗糙度又陡然升高，達到了7．857μm。一方面，可能是一部分晶粒在高溫下產(chǎn)生了粗化，使得表面粗糙度增大。而溫度足夠高時，晶粒粗化更加廣泛，使得整體微溝槽的表面粗糙度下降。另一方面，由于汽化作用強烈，在高能激光下材料表面會出現(xiàn)噴濺等現(xiàn)象，使得微溝槽內(nèi)出現(xiàn)了較為復(fù)雜的熔融堆積，最終導(dǎo)致粗糙度的升高。

圖3 激光微造型后微溝槽表面粗糙度

2．3 微溝槽深度

微溝槽的深度是衡量激光微造型效果的典型參數(shù)之一。由Axio CSM 700真實色共聚焦顯微鏡拍的照片可以直接得出微溝槽的深度。圖4為不同激光能量下工件深度方向的形貌表征，灰色線所圍區(qū)域為板料原材料平面。

圖4 微溝槽深度測量

圖5所示分別為工作電流為11．5、13．5、15．5、17．5 A下，激光微造型后材料表面微溝槽深度測試結(jié)果。

圖5 激光微造型后微溝槽深度

由圖可知，微溝槽深度隨著激光功率的增大呈先增大后減小趨勢。這是因為在激光能量較低時，表面熱流密度未達到臨界值，表層材料無法充分熔化，因此燒蝕的深度有限，如圖5(a)所示，但由圖發(fā)現(xiàn)，在微溝槽邊緣處，其高度會突然增加，分析可能原因是，金屬材料溫度的急劇上升產(chǎn)生了熱沖擊，使熔化的銅基合金液向邊緣流動，集聚在邊緣，使得高度上升。隨著激光能量的不斷增加，合金銅顆粒被不斷上升的溫度逐漸分解、汽化，材料去除量明顯增加，微溝槽深度也越來越大，當(dāng)電流到達15．5 A時，微溝槽深度達到了19．658 μm，如圖5(c)所示。當(dāng)激光能量繼續(xù)升高時，熔化的材料堆積在微溝槽表面，形成重鑄層。同時，不斷噴濺的熔融顆粒也阻礙了材料的進一步的去除，微造型深度隨之降低，粗糙度變大。另外，加熱溫度過大，晶粒粗化現(xiàn)象越嚴重，使得表層的微觀組織變得趨于復(fù)雜。因此，選擇合適的激光功率是獲得良好微造型表面質(zhì)量的重要因素。

2．4 微溝槽寬度

圖6所示為激光微造型后微溝槽寬度隨激光工作電流的變化，圖中b為寬度。由圖可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作電流增加時，微溝槽的寬度隨之增加，但增加趨勢隨著電流的增大而逐漸平緩，并最終趨于205μm附近。說明材料對激光的吸收存在一個飽和值，當(dāng)激光功率超越這個值時，繼續(xù)增大工作電流對微造型的效果不大。

圖6 不同激光工作電流下微溝槽寬度

2．5 表面殘余應(yīng)力

激光微造型雖然具有一般機械加工不具備的優(yōu)點，但是其急熱急冷的特性會導(dǎo)致熱擴散和熱膨脹等現(xiàn)象，進而產(chǎn)生較強的熱應(yīng)力。而材料組織結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變和溫度梯度最終會使材料內(nèi)部出現(xiàn)殘余應(yīng)力，它正是激光微造型表面出現(xiàn)微裂紋的主要原因之一［14］。為了使激光微造型工藝可控，必須控制微裂紋的產(chǎn)生，因此研究加工過程中的殘余應(yīng)力分布就很有必要。文中采用X-350A型X射線應(yīng)力測定儀測量不同工作電流下微造型件的殘余應(yīng)力，如圖7所示。

圖7 激光微造型后殘余應(yīng)力測試圖

從圖7中可以看出，隨著激光能量的升高，激光微造型加工試樣后的殘余拉應(yīng)力也隨之升高，而且升高趨勢較為明顯。當(dāng)電流達到18．5 A時，殘余拉應(yīng)力達到了350 MPa。而殘余拉應(yīng)力的存在極易誘導(dǎo)工件表面出現(xiàn)微裂紋，在摩擦劇烈的環(huán)境下，會導(dǎo)致工件斷裂時效。可見激光微造型作為一種熱燒蝕，能量足夠高時會將銅合金試樣表面的殘余壓應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄嗬瓚?yīng)力，對材料的抗磨損能力及疲勞壽命有極其不利的影響。因此尋求合適的工藝參數(shù)對有效利用激光微造型在銅合金制造領(lǐng)域的應(yīng)用具有重要作用。

3 結(jié)論

對ZCuSn10Zn2銅合金進行不同激光能量下微造型工藝試驗，得出以下結(jié)論:

(1)低能量下，激光無法在銅合金表面形成連續(xù)的微溝槽，導(dǎo)致粗糙度較大。隨著激光能量的升高，表面粗糙度降低并趨于穩(wěn)定。當(dāng)激光能量過大時，由于晶粒粗化和熔融堆積等反而提高了表面粗糙度。

(2)微溝槽深度隨著激光功率的增大呈先增大后減小趨勢。微溝槽寬度隨工作電流的增大而增大，且增勢趨于平緩。選擇合適的激光功率是獲得良好微造型表面質(zhì)量的重要因素。

(3)激光微造型后銅合金表面出現(xiàn)殘余拉應(yīng)力，且殘余拉應(yīng)力隨激光能量的增大而增大。

［1］馮在強，王自東，王強松，等．新型鑄造錫青銅合金的微觀組織和性能［J］．材料熱處理學(xué)報，2011，32(10):96-99．

［2］范明，王強松，王自東，等．鐵和鈷對ZCuSn10Zn2組織和性能的影響［J］．鑄造，2009，58(3):270-272．

［3］胡耀紅，劉建平，陳力格，等．硫酸鹽三價鉻鍍鉻工藝［J］．電鍍與涂飾，2006，25(l):43-45．

［4］張勇，陳會平．鍍鉻活塞環(huán)表面層工作應(yīng)力及剝離的數(shù)值分析［J］．內(nèi)燃機工程，2005，27(6):77-81．

［5］劉洪喜，蔣業(yè)華，周榮，等．TC4合金表面全方位離子注入Ag的耐摩擦磨損和抗腐蝕性能［J］．稀有金屬材料與工程，2009，38(12):2126-2130．

［6］張國順．現(xiàn)代激光制造技術(shù)［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006．

［7］SAKATA F Y，SANTOA M E，MIYAKAWA W，et al．Influence of Laser Surface Texturing on Surface Microstructure and Mechanical Properties of Adhesive Joined Steel Sheets［J］．Surface Engineering，2009，25(3):180-186．

［8］LEONE C，GENNA S，CAPRINO G，et al．AISI 304 Stainless Steel Marking by a Q-switched Diode Pumped Nd:YAG laser［J］．Journal of Materials Processing Technology，2010，210(10):1297-1303．

［9］CHRISTOPHE V，GUY M，THIERRY B，et al．Control of the Quality of Laser Surface Texturing［J］．Microsystem Technologies，2008，14(9/11):1553-1557．

［10］WANG Tao，HUANG Weifeng，LIU Xiangfeng，et al．Experimental Study of Two-phase Mechanical Face Seals with Laser Surface Texturing［J］．Tribology International，2014，72:90-97．

［11］錢良存，洪煒寧，邵陸壽，等．18CrMnTi鋼表面激光微造型的仿生工藝［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2011，27(7):246-250．

［12］AUEZHAN Amanov，RYO Tsuboi，HIRONOBU Oe，et al．The Influence of Bulges Produced by Laser Surface Texturing on the Sliding Friction and Wear Behavior［J］．Tribology International，2013，60:216-223．

［13］COSTIL S，LAMRAOUI A，LANGLADE C，et al．Surface Modifications Induced by Pulsed-laser Texturing—Influence of Laser Impact on the Surface Properties［J］．Applied Surface Science，2014，288:542-549．

［14］AKARQPU R，LI B Q，SEGALL A．A Thermal Stress and Failure Model for Laser Cutting and Forming Operations［J］．Journal of Failure Analysis and Prevention，2004，4(5):51-62．