史 超, 王 偉, 劉 焜

(合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，安徽 合肥 230009)

接觸壓力與粉末層厚度對塑性拉延過程的影響

史 超, 王 偉, 劉 焜

(合肥工業(yè)大學 摩擦學研究所，安徽 合肥 230009)

文章以石墨粉末作為固體潤滑劑,在不同接觸壓力和粉末層厚度下,對鋁合金進行了一系列塑性拉延摩擦試驗,得到了鋁合金在粉末潤滑條件下的摩擦系數(shù)和表面膜特性,并對塑性成形過程粉末潤滑機理進行了分析。結(jié)果表明:爬行現(xiàn)象是潤滑膜破壞的主要原因,該現(xiàn)象隨著接觸壓力的增大而加劇;適當增加粉末層厚度可以有效降低潤滑膜的損傷,但不是粉末量越多越好,最佳厚度隨使用工況而變化;不同粉末層厚度下,表面膜的典型破壞形式有所區(qū)別;摩擦系數(shù)隨著接觸壓力的增加而減小,隨著粉末層厚度的增加而增加。

塑性成形;石墨;潤滑;摩擦學;爬行現(xiàn)象

0 引 言

在金屬塑性成形過程中,摩擦和潤滑問題是影響模具使用壽命、材料成形性能以及加工后產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素[1]。塑性成形界面的接觸壓力和摩擦溫度較高，且高壓接觸面積很大,金屬基體在高壓作用下發(fā)生連續(xù)變形,接觸表面不斷更新,有時加工過程中還要承受沖擊負荷或較強的振動[2]。在這些嚴酷的工況環(huán)境下,傳統(tǒng)的油脂已不能實現(xiàn)有效的潤滑,甚至出現(xiàn)失去潤滑能力的情況,而利用松散的粉末顆粒進行固體潤滑則能克服油潤滑的一些固有缺點。

固體潤滑是將固體潤滑劑用于摩擦表面以降低摩擦、減少磨損的措施。黏附于摩擦表面的固體潤滑劑在對偶材料摩擦時,會在對偶材料表面形成轉(zhuǎn)移膜,使摩擦發(fā)生在固體潤滑劑內(nèi)部,從而減少摩擦、降低磨損。目前,已發(fā)展了多種材料和潤滑應用,例如物理氣相沉積潤滑薄膜、黏結(jié)固體潤滑涂層、金屬基高溫耐磨自潤滑復合材料以及聚合物自潤滑復合材料等[3]。近年來,也有研究者探索將固體材料以粉末狀態(tài)直接導入摩擦副,利用微小顆粒的摩擦、變形、碰撞、擠壓以及滑滾等微觀運動,減少相對運動表面的接觸，保護表面免于損傷。文獻[4]在霧化裝置中將粉末潤滑劑與氣體混合并導入到摩擦副間隙中;試驗結(jié)果表明,粉末潤滑膜能夠?qū)⒛Σ粮北砻娣蛛x并起到承載作用,從而有效降低了摩擦系數(shù)和減少了磨損。文獻[5]基于端面摩擦試驗機對粉末潤滑特性進行了研究,探索了載荷變化時粉末膜的形成和漸變破壞過程;研究結(jié)果表明,粉末潤滑膜在一定載荷內(nèi)長時間保持完整,并隨載荷增加逐漸表現(xiàn)出破壞現(xiàn)象。文獻[6]針對在塑性微擠壓過程中坯料微型化時,材料的流動應力已不能按照傳統(tǒng)塑性加工工藝等比縮小處理的問題,采用自行研制的塑性微擠壓成形裝置,分析比較了不同摩擦條件對擠壓力以及成形試件表面質(zhì)量的影響;試驗結(jié)果表明,在不同摩擦條件下,石墨潤滑時,擠壓力有明顯降低,試件表面質(zhì)量也有較大改善。文獻[7]研究了晶體結(jié)構(gòu)與石墨相似的六方晶系氮化硼潤滑劑在鋁合金塑性成形中的摩擦行為和潤滑性能；試驗結(jié)果表明,氮化硼作為固體潤滑劑可替代石墨并且干凈環(huán)保,其摩擦磨損、潤滑膜穩(wěn)定性以及試件表面質(zhì)量等摩擦性能的表現(xiàn)主要取決于氮化硼顆粒的大小和濃度。

鑒于金屬材料塑性成形的廣泛應用以及固體潤滑劑在嚴酷條件下的良好適應性,目前顆粒流潤滑與塑性成形的固體潤滑已經(jīng)引起眾多學者的關(guān)注和研究,也取得了很多研究成果。然而目前塑性成形的固體潤滑研究多集中在自潤滑材料和固體潤滑膜上,將粉末潤滑應用到塑性成形中的研究尚未得到重視,塑性成形界面粉末潤滑的摩擦機理還有很多問題亟待解決。本文主要以一種可以使粉末顆粒良好地吸附在金屬表面的商用干性石墨潤滑劑為研究對象,將其均勻噴涂到鋁合金試樣表面,采用合肥工業(yè)大學摩擦研究所自行設計的塑性拉延摩擦實驗裝置,分別對不同接觸壓力和粉末層厚度下鋁合金拉延過程中石墨粉末的潤滑特性和潤滑膜微觀形態(tài)進行了系統(tǒng)研究,為今后粉末潤滑在塑性成形過程的研究奠定了一定的基礎(chǔ)。

1 試驗部分

1.1 摩擦試驗設備與材料

拉延成形方法簡單有效,被較多學者用來研究板材成形過程中一些參數(shù)對摩擦性能的影響[8-10],合肥工業(yè)大學摩擦學研究所自行設計的拉延摩擦試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置

試驗前,打開電腦上可實時顯示并存儲測量數(shù)據(jù)的無紙記錄儀配套軟件,裝夾好試樣并根據(jù)試驗要求旋轉(zhuǎn)加載旋鈕進行預加載,使上、下模具相互壓緊試樣并達到需要的接觸壓力,在伺服電動機控制器的顯示面板上設置一定的滑動速度,在伺服電機傳動軸的帶動下滑塊向右方滑動,試驗開始進行。滑動接觸界面的摩擦力通過由銷釘固定在滑塊上的拉力傳感器測出,接觸壓力由上模具頂部的傳感器測出,摩擦力與接觸壓力的數(shù)值被無紙記錄儀傳輸?shù)接嬎銠C軟件上,保存數(shù)據(jù)并處理可換算得到摩擦系數(shù),換算公式為:

其中,μ為摩擦系數(shù)；F為摩擦力；N為接觸壓力。

試驗所用的上、下模具材料為Cr12,模具邊緣進行倒圓角處理,方便石墨粉末順利地進入摩擦副間隙,表面經(jīng)過高頻淬火處理,硬度為HRC 58～60,表面粗糙度為0.06,可初步認為模具具有光滑、剛性的表面。試樣材料為6016鋁合金,具有成形性好、強度高、耐腐蝕性以及耐高溫等特點,是一種適合于汽車應用的輕量化材料[11]；試樣尺寸為200.0 mm×12.0 mm×1.0 mm,邊緣用砂紙打磨去除毛刺,上、下模具與試樣的名義接觸面積為48 mm2。石墨的黏附性很好,且具有明顯的層狀六方晶體結(jié)構(gòu),層與層之間的結(jié)合力較弱,使得層面間在剪切力作用下容易滑移,是一種非常理想的潤滑材料[12]。試驗采用美國CRC工業(yè)公司生產(chǎn)的噴罐裝干性耐高溫石墨潤滑劑,噴涂在金屬表面后,溶劑會快速蒸發(fā),石墨粉末能夠良好地附著在基體表面,且容易去除。潤滑劑在試樣表面形成的粉末層的微觀形態(tài)如圖2所示。

圖2 試樣表面粉末層微觀形態(tài)

1.2 試驗方法

本文所有試驗的滑動速度均設為2.0 mm/s,鋁合金試樣兩表面皆噴涂潤滑劑,每組試驗進行5次重復試驗,試驗結(jié)果具有較好的可重復性。對僅噴涂單層石墨粉末的試樣,將接觸壓力分別設為30.6、51.0、71.5、91.8、112.3 MPa進行試驗,得到不同接觸壓力下摩擦系數(shù)的值;然后將接觸壓力設為71.5 MPa,分別對表面均勻噴涂2層、3層、4層和5層的試樣進行試驗,得到不同粉末量下摩擦系數(shù)的值。試驗結(jié)束后用激光掃描顯微鏡對試件摩擦表面進行觀察。

2 結(jié)果與討論

2.1 接觸壓力、粉末層厚度對摩擦系數(shù)的影響

不同接觸壓力下,摩擦界面平均摩擦力與平均摩擦系數(shù)的變化情況如圖3所示。

圖3 摩擦界面平均摩擦力與平均摩擦系數(shù)的變化情況

由圖3可知,平均摩擦系數(shù)隨著接觸壓力的增大而減小,當接觸壓力不斷增加時,摩擦力也在增加,但增大速度遠遠小于接觸壓力的增大速度。這是造成摩擦系數(shù)隨接觸壓力增大而減小的直接原因。

在摩擦穩(wěn)定階段,不同接觸壓力下摩擦系數(shù)隨時間的變化情況如圖4所示。

圖4 不同接觸壓力下摩擦系數(shù)隨時間的變化情況

由圖4可知,在接觸壓力最小和最高時摩擦系數(shù)的輪廓曲線浮動都比較大。這是因為石墨粉末吸附在鋁合金表面后形成了一層粗糙的粉末層,在接觸壓力較小的情況下,部分石墨粉末被擠壓進入試件表面微凸體中,另一部分則在模具的剪切作用下被擠出,造成潤滑膜較薄且不均勻;同時模具與試件表面真實接觸面積很小,使得摩擦界面的接觸應力相對較大,因而摩擦系數(shù)較高且不穩(wěn)定;隨著接觸壓力增加,加劇了試件表面微凸體平坦化,同時石墨潤滑膜被擠壓變得光滑致密,潤滑膜與模具表面貼合更緊,表面真實接觸面積變大,從而摩擦系數(shù)減小,同時也變得穩(wěn)定;當載荷增大到一定值后,試件表面微凸體由彈性變形向完全塑性變形轉(zhuǎn)變,接觸界面因素(如潤滑膜的均勻程度、模具表面粗糙度)對摩擦狀況的影響加劇,導致摩擦系數(shù)呈現(xiàn)較大波動。

不同粉末層厚度下摩擦系數(shù)及其隨時間的變化情況如圖5所示。

由圖5a可以看出,粉末層厚度對摩擦系數(shù)影響較小,不同粉末層厚度之間摩擦系數(shù)變化不大,平均摩擦系數(shù)最大值與最小值之差僅為0.02,但是摩擦系數(shù)隨著厚度的增加有明顯的增大趨勢,且數(shù)值增長幅度相似,呈直線逐步提升。這是因為隨著噴涂粉末層數(shù)的增加,潤滑膜表面的凹坑開始變得明顯,表面更加粗糙,同時由于少量黏結(jié)劑的存在而具有一定的硬度和強度,必然會增加滑動過程的剪切作用力,造成摩擦系數(shù)隨著粉末涂層層數(shù)的增加而增長。潤滑膜表面凹坑成因為:潤滑劑噴涂到試樣表面后,由液態(tài)變?yōu)楣虘B(tài)是快速凝固過程,液體流動分布不均勻,液態(tài)密度與固態(tài)密度不同,當密度相差較大時,粒子凝固時會發(fā)生收縮,收縮的過程中如果沒有多余的液相來補充縮孔,就會形成凹坑;同時基體不良的表面狀態(tài),如表面有深的凹坑、凹坑內(nèi)存在空氣時,也會導致孔隙的產(chǎn)生,這種現(xiàn)象隨著噴涂層數(shù)的增加而加劇。

圖5 不同粉末層厚度下摩擦系數(shù)及其隨時間的變化情況

圖5b中,粉末層從1層到5層曲線輪廓的標準偏差平均值分別為0.368%、0.522%、0.417%、0.642%、0.846%。由圖5b可知,在粉末量充足時,粉末量的改變對塑性成形過程摩擦副運動平穩(wěn)性的影響不大,即使粉末層為5層時,摩擦系數(shù)的曲線輪廓的標準偏差達到最大值0.846%,在試驗過程中,該摩擦系數(shù)的波動依然屬于較小的范疇。這是因為粉末量充足時,粉末層受模具的擠壓將會在摩擦副間隙形成致密的殼狀潤滑層,鋁合金表面被完全覆蓋,使得摩擦發(fā)生在模具與較軟的粉末層之間,從而保證了拉延過程具有良好的平穩(wěn)性。

2.2 接觸壓力、粉末層厚度對潤滑膜的影響

不同接觸壓力下潤滑膜激光顯微鏡圖如圖6所示。由圖6a可以看出,當接觸壓力較小時試件表面幾乎被潤滑膜完全覆蓋,潤滑膜被擠壓變得致密光滑,但潤滑膜較薄,在滑動方向上有輕微的劃痕。

圖6 不同接觸壓力下潤滑膜激光顯微鏡圖

由圖6b、圖6c和圖6d可以看出,隨著接觸壓力的增加,試件表面開始出現(xiàn)有規(guī)律的橫向劃痕,且接觸壓力越大現(xiàn)象越明顯。這是由于試件在較大壓力下開始彎曲變形,拉拔過程試件不能完全水平運動,試件表面受力不均勻,導致模具邊緣與試件接觸區(qū)域應力集中,即出現(xiàn)爬行現(xiàn)象,造成潤滑膜破壞;另一方面,試件表面潤滑膜未被破壞區(qū)域由于壓力增大使得摩擦副間隙變小,石墨粉末被擠壓變得光滑平整致密,可見若不考慮爬行現(xiàn)象,適當提高接觸壓力可以提高表面潤滑膜的質(zhì)量。

當接觸壓力為112.3 MPa時,由圖6e可以看出,潤滑膜已經(jīng)被嚴重破壞,不僅由爬行現(xiàn)象造成的橫向劃痕增多,沿滑動方向劃痕也開始增多。這是由于接觸壓力較大時鋁合金塑性變形加劇,爬行現(xiàn)象造成的應力集中也更明顯;同時摩擦副表面剪切力過大,使得石墨粉末容易被擠出摩擦副,所形成的潤滑膜自身的強度及承載中已不足以抵抗模具表面的剪切作用,從而造成潤滑膜的擦傷。

不同粉末層厚度下試驗后潤滑膜典型破壞形式的激光顯微鏡圖如圖7所示。

圖7 不同粉末層厚度下試驗后潤滑膜典型破壞形式的微觀形態(tài)

由圖7a可以看出,潤滑膜表面光滑平整,潤滑膜幾乎完全覆蓋基體,僅少部分局部區(qū)域被破壞,露出金屬表面,破壞形式主要為擦傷。

由圖7b可以看出,當試件表面噴涂3層石墨粉末時,潤滑涂層基本覆蓋了金屬表面,沒有出現(xiàn)明顯劃痕,但是膜表面粗糙,有許多不規(guī)則裂紋,仔細觀察可以發(fā)現(xiàn)這些裂紋一部分是粉末層被破壞留下的斷層邊緣，即出現(xiàn)分層剝落現(xiàn)象。這是因為石墨粉末是逐層噴涂的,層與層之間的黏結(jié)力較弱,外層和模具首先接觸的那層粉末可能被模具擠壓或者粘連而脫落,從而出現(xiàn)分層現(xiàn)象。還有一部分裂紋則是粉末層被擠壓斷裂形成的裂痕。

由圖7c可以看出,當試件表面噴涂4層石墨粉末時,試驗后典型破壞區(qū)域的膜表面狀況惡劣,有大面積粉末層從金屬表面整體脫落,造成金屬表面裸露。同時粉末層表面還存在一些層片狀石墨粉末聚集體。

由圖7d可以看出,當試件表面噴涂5層石墨粉末時,試件表面粉末層破壞嚴重,石墨粉末呈較大面積塊狀剝落。

從剝落區(qū)域痕跡可以看出,斷層邊緣清晰鮮明,與基體沒有出現(xiàn)粘連情況,具有一定的脆性破壞特征。這是由于當粉末量足夠多時,粉末層經(jīng)模具擠壓、剪切后脫落的粉末也較多,一方面造成潤滑膜表面狀態(tài)變得復雜,另一方面也造成石墨粉末脫落區(qū)域面積較大。同時還有部分區(qū)域粉末層出現(xiàn)了明顯的鼓包現(xiàn)象,鼓包表面有裂痕。另外還有局部粉末層沒有形成，明顯鼓包但呈現(xiàn)出被掀起的狀況,且沿滑動方向有整體位移現(xiàn)象,潤滑膜情況比較復雜。

總體上,對比單層粉末涂層,噴涂2層粉末涂層試驗后因爬行現(xiàn)象而產(chǎn)生的橫向劃痕明顯減少，因此表面狀況更加良好。這是由于潤滑膜厚度增加后潤滑層機械強度和承載能力增強,摩擦界面載荷和摩擦力合力所引起的應力不足以將潤滑膜破壞,摩擦發(fā)生在模具與較軟的粉末涂層之間,削弱了爬行現(xiàn)象的影響。

然而增加石墨粉末的用量盡管使得潤滑膜厚度增加,降低模具對基體的損傷,但粉末層是逐層噴涂,層與層間黏結(jié)力較弱,同時還要考慮潤滑膜厚度不均勻的影響；另外,摩擦表面應力狀態(tài)變得復雜,各處受力極不均勻,造成部分受局部應力較大的潤滑膜被破壞。

3 結(jié) 論

(1) 本文將石墨粉末應用到塑性成形過程中取得了良好的潤滑效果,多數(shù)工況條件下潤滑膜能有效地保護金屬表面。爬行現(xiàn)象是導致潤滑膜破壞的主要原因,這種破壞現(xiàn)象隨著接觸壓力的增大而加劇。

(2) 適當增加粉末層厚度可以有效提高塑性成形摩擦界面潤滑質(zhì)量,削弱爬行現(xiàn)象的影響。但并不是粉末量越多潤滑效果越好,粉末層厚度的增加不能超過某一臨界值,其最佳厚度隨使用工況而變化。

(3) 摩擦系數(shù)隨接觸壓力的增加而減小,隨著粉末層厚度的增加而增加。 不同粉末層厚度下,表面膜的典型破壞形式有所區(qū)別,主要有鼓包、分層剝落和擦傷等形式。

[1] LI L X，PENG D S，LIU J A，et al.An experimental study of the lubrication behavior of A5 glass lubricant by means of the ring compression test[J].Journal of Materials Processing Technology，2000，102(1/2/3):138-142.

[2] 嚴曉華,陳國需.固體潤滑技術(shù)的研究現(xiàn)狀及展望[J].能源研究與信息,2005,21(2):69-74.

[3] 薛群基,呂晉軍.高溫固體潤滑研究的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].摩擦學學報,1999,19(1):91-96.

[4] HESHMAT H.The effect of slider geometry on the performance of a powder lubricated bearing-theoretical considerations[J].Tribology Transactions,2000,43(2):213-220.

[5] 李紅獻，王偉，劉焜,等.載荷對面接觸摩擦副粉末潤滑膜影響的實驗研究[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版)，2009，32(3):363-365.

[6] 鄭善偉,楊方,齊樂華,等.塑性微擠壓成形力變化規(guī)律的實驗研究[J].塑性工程學報,2011,18(2):41-44.

[7] PODGORNIK B，KOSEC T，KOCIJAN A，et al.Tribological behaviour and lubrication performance of hexagonal boron nitride (h-BN) as a replacement for graphite in aluminium forming[J].Tribology International，2015，81:267-275.

[8] LEE B H，KEUM Y T，WAGONER R H.Modeling of the friction caused by lubrication and surface roughness in sheet metal forming[J].Journal of Materials Processing Technology，2002，130/131:60-63.

[9] DE SOUZA J H C，LIEWALD M.Analysis of the tribological behaviour of polymer composite tool materials for sheet metal forming[J].Wear，2010，268(1/2):241-248.

[10] SEVERO V，VILHENA L，SILVA P N，et al.Tribological behaviour of W-Ti-N coatings in semi-industrial strip-drawing tests[J].Journal of Materials Processing Technology，2009，209(10):4662-4667.

[11] 王孟君,黃電源,姜海濤.汽車用鋁合金的研究進展[J].金屬熱處理,2006,31(9):34-38.

[12] 趙振鐸,張召鐸,王家安.金屬塑性成形中的潤滑材料[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005:286-290.

(責任編輯 胡亞敏)

Influence of contact pressure and thickness of powder layer on powder lubrication in metal plastic forming

SHI Chao, WANG Wei, LIU Kun

(Institute of Tribology， Hefei University of Technology， Hefei 230009， China)

By using graphite powder to lubricate the sliding contact interface during strip drawing, the friction tests on the aluminum alloy were performed under different contact pressures and with different thickness of powder layer. The friction coefficient and the characteristics of surface film of the aluminum alloy were measured during or after experiments. The mechanism of particle flow lubrication in sheet metal forming was also studied. The results indicate that the surface film is mainly damaged by crawl phenomenon which is intensified with the increase of contact pressure. To increase the thickness of the powder layer appropriately can reduce the damage of the lubricant film， but too much graphite does not mean better， the optimum thickness varies with the change of operation condition. The typical damage behavior of the surface film changes with different thickness of powder layer. The friction coefficient deceases with the increase of contact pressure and increases with the increase of the thickness of powder layer.

metal plastic forming; graphite; lubrication; tribology; crawl phenomenon

2015-07-13；

2015-09-21

國家自然科學基金資助項目(51175136;51475135);中國博士后科學基金資助項目(2014M550339)和清華大學摩擦學國家重點實驗室開放基金資助項目(SKLTKF13A2)

史 超(1990-),男,安徽泗縣人,合肥工業(yè)大學碩士生; 劉 焜(1963-),男,陜西漢中人,博士,合肥工業(yè)大學教授,博士生導師.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.005

TH117.1

A

1003-5060(2016)12-1608-06