溫雪龍， 于興晨， 鞏亞?wèn)|， 孟凡濤

(東北大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110819)

高熵合金具有高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性、高耐腐蝕性、高抗氧化性等特點(diǎn)[1-2]，在材料學(xué)領(lǐng)域具有極高的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值.高熵合金、復(fù)合材料與大塊非晶被稱(chēng)為未來(lái)最具發(fā)展?jié)摿Φ娜蟛牧蟍3-4].近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者對(duì)高熵合金的制備及組織性能等方面進(jìn)行了大量研究.Hou等[5]采用固相滲硼法在Al0.25CoCrFeNi高熵合金上制備硼化層，發(fā)現(xiàn)硼化Al0.25CoCrFeNi合金的耐磨性比未經(jīng)硼化的合金高12倍.Klimova等[6]研究了冷軋對(duì)含Al和C的CoCrFeNiMn型高熵合金的組織和力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)在初始鑄態(tài)條件下，合金具有210 MPa的屈服強(qiáng)度和74%的延伸率，軋制后的屈服強(qiáng)度接近1 310 MPa，而延伸率降至1.3%.Ocelik等[7]用激光熔覆法制備AlCoCrFeNi高熵合金并檢測(cè)冷卻速率對(duì)其組織與性能的影響，結(jié)果表明高的冷卻速率有助于提高BCC相在合金中的含量并且可以提高合金的硬度.Fujieda等[8]用電子束熔煉法制備AlCoCrFeNi高熵合金，并將電弧爐與電子束熔煉的合金鑄錠的組織和性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)電子束熔煉的樣品雖然強(qiáng)度略微下降，但是塑性提髙近20%.Liu等[9]研究磨削參數(shù)對(duì)氮化硅磨削表面質(zhì)量的影響規(guī)律，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮化硅磨削表面粗糙度值隨著磨削速度的減小、磨削深度和工件速度的增大而增大.Yao等[10]研究了磨削參數(shù)對(duì)超高強(qiáng)度鋼Aermet100表面粗糙度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面粗糙度值隨工件速度和磨削速度的增大而減小，隨磨削深度增大而增大.盡管高熵合金的制備與組織性能方面研究已經(jīng)取得階段性的成果，但是有關(guān)高熵合金的機(jī)械加工方面研究還未見(jiàn)報(bào)道.磨削是保證零件加工表面質(zhì)量的最后一道工序，對(duì)提高零件可靠性及使用壽命具有重要作用.傳統(tǒng)合金材料的磨削加工工藝已經(jīng)十分成熟，但是針對(duì)高熵合金的磨削加工工藝尚缺少系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持，所以本文對(duì)高熵合金磨削加工工藝相關(guān)問(wèn)題的研究具有一定意義.

本文針對(duì)FeCoNiCrMo高熵合金進(jìn)行磨削工藝實(shí)驗(yàn)研究，研究其材料去除機(jī)理及磨削表面粗糙度隨磨削參數(shù)的變化規(guī)律，探討不同磨削參數(shù)對(duì)高熵合金表面形貌的影響，研究干磨和濕磨條件下高熵合金的磨削表面質(zhì)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果為高熵合金的磨削加工提供數(shù)據(jù)參考.

1 實(shí)驗(yàn)條件和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

高熵合金試件的磨削過(guò)程如圖1所示.實(shí)驗(yàn)采用120#電鍍CBN砂輪和樹(shù)脂結(jié)合劑CBN砂輪，如圖2所示；砂輪外徑180 mm，內(nèi)徑32 mm；磨料層寬度6 mm，厚度5 mm.

實(shí)驗(yàn)材料為鑄造FeCoNiCrMo高熵合金，試件如圖3所示.通過(guò)掃描電鏡對(duì)試件組分進(jìn)行檢測(cè)，得到試件中Fe，Co，Ni，Cr，Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為24.39%，24.39%，24.39%，24.39%，2.44%.

磨削實(shí)驗(yàn)在2M9120工具磨床上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)后分別用VHX-1000E 超景深顯微系統(tǒng)和MICROMEASURE 三維輪廓儀來(lái)檢測(cè)試件表面的三維形貌和表面粗糙度.超景深顯微鏡最大放大倍數(shù)為5 000倍；三維輪廓儀的最小測(cè)量步長(zhǎng)為0.078 μm.

1.2 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

對(duì)FeCoNiCrMo高熵合金進(jìn)行三因素五水平的正交試驗(yàn)，探討磨削速度vs、進(jìn)給速度vw和磨削深度ap對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律.分別采用電鍍砂輪和樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪對(duì)試件進(jìn)行磨削，并對(duì)磨削后的試件表面形貌進(jìn)行分析.通過(guò)干磨和濕磨對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究冷卻液對(duì)磨削表面質(zhì)量的影響.實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示.

表1 正交試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters for the orthogonal test

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 材料去除機(jī)理

圖4是FeCoNiCrMo高熵合金的磨屑形貌，磨屑基本呈塊狀和條狀兩種形態(tài)，連續(xù)性較好.在磨屑的自由表面可以明顯看到由于磨削過(guò)程中的擠壓剪切而形成的層狀物堆疊，磨屑的接觸表面比較光滑且有均勻磨痕，磨屑的側(cè)面呈現(xiàn)均勻的鋸齒狀.通過(guò)對(duì)磨屑的分析可知，F(xiàn)eCoNiCrMo高熵合金滿(mǎn)足塑性材料去除機(jī)理.

圖5為FeCoNiCrMo高熵合金的截面微觀形貌，可以明顯看出，亞表面層結(jié)構(gòu)與基體結(jié)構(gòu)明顯不同，并且在接近磨削表面的位置形成了致密的加工硬化層，說(shuō)明高熵合金的磨削過(guò)程中存在加工硬化現(xiàn)象.

圖6是在掃描電鏡下觀察的FeCoNiCrMo高熵合金變形層的微觀形貌以及變形層位置的局部放大圖，從圖6a中可以看到高熵合金的顯微組織為樹(shù)枝晶結(jié)構(gòu)，由枝晶結(jié)構(gòu)和枝晶間結(jié)構(gòu)兩部分組成.從圖6b中可以看出，在磨削表面下約10 μm 的范圍內(nèi)，其組織沿晶界發(fā)生了嚴(yán)重的扭曲，這是因?yàn)樵谀ハ髁Φ淖饔孟?，高熵合金的組織發(fā)生了塑性剪切滑移.再結(jié)合前面對(duì)磨屑形貌的觀察與分析，可以說(shuō)明在此磨削條件下高熵合金的去除機(jī)理為塑性去除.

慢性蕁麻疹指病程大于等于6周的蕁麻疹,由于其病因繁多,各個(gè)年齡段均可發(fā)病,且尚無(wú)特效根治藥物,導(dǎo)致患者大多只在發(fā)病時(shí)重視對(duì)其的治療,而忽略了平日的預(yù)防與保健。有研究表明[3],藥物、病毒感染等因素可引起蕁麻疹外,不健康的生活方式以及情緒因素也為蕁麻疹可能的病因。此外,既往研究顯示[4],對(duì)于藥物副作用的恐懼、以及對(duì)于蕁麻疹治療效果的失望也是引起患者依從性降低的因素。

2.2 磨削參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響

圖7為采用兩種砂輪磨削后的試件表面粗糙度與磨削參數(shù)的關(guān)系.

由圖7可知，隨著磨削速度的增大，表面粗糙度值均呈減小的趨勢(shì)；這是因?yàn)樵谀ハ魃疃扰c進(jìn)給速度不變的情況下，磨削速度增大，參與磨削過(guò)程的磨粒數(shù)增加，單位時(shí)間內(nèi)磨削表面被磨粒磨過(guò)的次數(shù)增加，因此表面變得更平整，表面粗糙度值減小.當(dāng)磨削深度逐漸增加時(shí)，表面粗糙度值均逐漸增大；這是因?yàn)樵谀ハ魉俣扰c進(jìn)給速度不變的情況下，磨削深度增加，砂輪與工件的接觸面積增大，單顆磨粒的最大未變形切屑厚度增大，磨削表面上的磨痕逐漸加深，導(dǎo)致表面粗糙度值越來(lái)越大.隨著工件進(jìn)給速度的增大，表面粗糙度值呈現(xiàn)增大趨勢(shì)；這是由于在磨削深度與磨削速度不變的情況下，進(jìn)給速度增大，參與磨削過(guò)程的磨粒數(shù)減少，使得單顆磨粒的磨削厚度增大，磨削表面的平整度下降，因此表面粗糙度值逐漸增大.

由圖7還可以看出，用不同砂輪磨削的試件表面粗糙度隨磨削參數(shù)變化的趨勢(shì)一致，但用電鍍砂輪磨削的試件表面粗糙度值大于用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨削的試件表面粗糙度值.這是因?yàn)闃?shù)脂結(jié)合劑砂輪的彈性較好，耐沖擊，有拋光的作用，并且樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪自銳性較好，不容易發(fā)生堵塞的現(xiàn)象；另外，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的磨削溫度也比電鍍砂輪低，從而降低了磨削燒傷的影響.所以采用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪進(jìn)行高熵合金的磨削加工，在提高磨削表面質(zhì)量方面具有一定優(yōu)勢(shì).

對(duì)比分析采用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪和電鍍砂輪磨削FeCoNiCrMo高熵合金的正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對(duì)表面粗糙度影響最大的磨削參數(shù)是磨削速度vs，然后依次為磨削深度ap和進(jìn)給速度vw.兩種砂輪磨削FeCoNiCrMo高熵合金時(shí)，不同磨削參數(shù)對(duì)磨削表面粗糙度影響的極差圖和方差圖如圖8所示.

為了進(jìn)一步驗(yàn)證上述結(jié)論，進(jìn)行了一組磨削速度對(duì)磨削表面粗糙度影響的單因素實(shí)驗(yàn)，設(shè)定磨削深度為20 μm，進(jìn)給速度為0.75 m/min.如圖9所示，可以明顯看出當(dāng)磨削速度從13 m/s增大到35 m/s時(shí)，磨削表面粗糙度值Ra從1.47 μm下降到 1.23 μm，即隨著磨削速度的增大，磨削表面粗糙度值降低，與正交試驗(yàn)結(jié)果一致.

2.3 不同砂輪磨削的試件表面形貌分析

圖10為分別采用兩種砂輪在不同磨削速度下磨削的試件表面形貌.當(dāng)磨削速度為10 m/s時(shí)，兩種砂輪磨削表面的磨痕均較深，有的地方產(chǎn)生凹坑.隨著磨削速度的增大，試件表面的磨痕都明顯變淺，凹坑數(shù)目明顯減少，表面質(zhì)量更好.這是因?yàn)槟ハ魉俣仍龃?，單位時(shí)間磨過(guò)表面的磨粒數(shù)增加，使得磨削表面更加平整；同時(shí)，磨削速度增大導(dǎo)致單顆磨粒的磨削厚度減小，磨痕變淺，從而磨削表面質(zhì)量提高.因此磨削過(guò)程中，提高磨削速度有助于改善磨削表面質(zhì)量.另外，通過(guò)兩種砂輪磨削表面的對(duì)比可以看出，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨削表面比電鍍砂輪磨削表面更加平整.

圖11為分別采用兩種砂輪在不同磨削深度下磨削的試件表面形貌.當(dāng)磨削深度為5 μm時(shí)，磨削表面磨痕分布比較均勻，深度也較淺，表面相對(duì)比較平整.隨著磨削深度的增加，磨痕深度明顯增加，分布明顯不均勻，出現(xiàn)多處明顯的凹坑.這是因?yàn)槟ハ魃疃仍黾樱拜喤c工件的接觸弧長(zhǎng)增大，單位時(shí)間去除的材料更多，使得磨削表面的平整度下降.磨削深度的增加還會(huì)導(dǎo)致單顆磨粒的磨削厚度增大，使得磨削表面磨痕變深，進(jìn)而導(dǎo)致磨削表面的質(zhì)量變差.另外，在相同的磨削參數(shù)下比較兩種砂輪的磨削表面形貌可以看出，電鍍砂輪磨削表面比較粗糙，磨痕較深，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的磨削表面形貌優(yōu)于電鍍砂輪，平整度較好.

圖12為分別采用兩種砂輪在不同進(jìn)給速度下磨削的試件表面形貌.當(dāng)進(jìn)給速度為0.45 m/min時(shí)，磨削表面的磨痕較淺，比較平整.隨著進(jìn)給速度的增加，磨削表面變得粗糙，并且出現(xiàn)了較深的磨痕及少許的凹坑.這主要是因?yàn)殡S著進(jìn)給速度的增加，參與磨削過(guò)程的磨粒數(shù)減少，單個(gè)磨粒的磨削厚度增大，使得磨削表面的磨痕變深，磨削表面質(zhì)量變差.與電鍍砂輪磨削表面相比，樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪的磨削表面磨痕更淺，有更好的平整度.

2.4 冷卻液對(duì)磨削表面粗糙度的影響

采用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪在相同的磨削參數(shù)下進(jìn)行的干磨和濕磨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖13所示.可以看出，無(wú)論干磨還是濕磨，F(xiàn)eCoNiCrMo高熵合金磨削表面粗糙度隨磨削參數(shù)的變化趨勢(shì)是一致的，但濕磨的表面粗糙度明顯小于干磨.

圖14是采用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪在磨削速度vs為15 m/s，進(jìn)給速度vw為0.45 m/min，磨削深度ap為20 μm 時(shí)干磨和濕磨的磨削表面形貌.可以明顯看出，干磨表面的磨痕較深，表面較粗糙，濕磨表面的磨痕均勻且較淺，表面質(zhì)量更好；這是由于冷卻液有利于減少積屑瘤、鱗刺的影響，可以沖洗掉脫落的磨粒，減少磨粒對(duì)磨削表面的劃傷，從而減小磨削表面粗糙度.同時(shí)，磨削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，冷卻液可以起到降溫的作用，減少工件表面的磨削燒傷，提高磨削表面質(zhì)量.

3 結(jié) 論

1) FeCoNiCrMo高熵合金在磨削過(guò)程中，其組織會(huì)沿晶界發(fā)生剪切滑移，在磨削表面下形成明顯的塑性變形層，所以高熵合金的磨削加工滿(mǎn)足塑性材料去除機(jī)理.

2) FeCoNiCrMo高熵合金在磨削過(guò)程中，隨著磨削速度增大，進(jìn)給速度和磨削深度減小，磨削表面粗糙度值呈減小趨勢(shì).樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨削表面粗糙度值要低于電鍍砂輪磨削表面粗糙度值.磨削速度是對(duì)磨削表面粗糙度影響最大的磨削參數(shù).

3) 采用樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪磨削FeCoNiCrMo高熵合金獲得的表面形貌好于電鍍砂輪.隨著磨削速度的增加，磨削表面的磨痕明顯變細(xì)，凹坑也越來(lái)越少，表面平整.隨著磨削深度和進(jìn)給速度的增大，磨削表面的磨痕深度明顯增大且分布不均勻，表面逐漸變得粗糙，凹坑數(shù)量增多.

4) 干磨和濕磨不同條件下FeCoNiCrMo高熵合金磨削表面粗糙度隨磨削參數(shù)的變化趨勢(shì)一致，濕磨表面粗糙度值小于干磨，濕磨的表面質(zhì)量更好.