接触压力与粉末层厚度对塑性拉延过程的影响

史 超, 王 伟, 刘 焜

(合肥工业大学 摩擦学研究所，安徽 合肥 230009)

接触压力与粉末层厚度对塑性拉延过程的影响

史 超, 王 伟, 刘 焜

(合肥工业大学 摩擦学研究所，安徽 合肥 230009)

文章以石墨粉末作为固体润滑剂,在不同接触压力和粉末层厚度下,对铝合金进行了一系列塑性拉延摩擦试验,得到了铝合金在粉末润滑条件下的摩擦系数和表面膜特性,并对塑性成形过程粉末润滑机理进行了分析。结果表明:爬行现象是润滑膜破坏的主要原因,该现象随着接触压力的增大而加剧;适当增加粉末层厚度可以有效降低润滑膜的损伤,但不是粉末量越多越好,最佳厚度随使用工况而变化;不同粉末层厚度下,表面膜的典型破坏形式有所区别;摩擦系数随着接触压力的增加而减小,随着粉末层厚度的增加而增加。

塑性成形;石墨;润滑;摩擦学;爬行现象

0 引 言

在金属塑性成形过程中,摩擦和润滑问题是影响模具使用寿命、材料成形性能以及加工后产品质量的重要因素[1]。塑性成形界面的接触压力和摩擦温度较高，且高压接触面积很大,金属基体在高压作用下发生连续变形,接触表面不断更新,有时加工过程中还要承受冲击负荷或较强的振动[2]。在这些严酷的工况环境下,传统的油脂已不能实现有效的润滑,甚至出现失去润滑能力的情况,而利用松散的粉末颗粒进行固体润滑则能克服油润滑的一些固有缺点。

固体润滑是将固体润滑剂用于摩擦表面以降低摩擦、减少磨损的措施。黏附于摩擦表面的固体润滑剂在对偶材料摩擦时,会在对偶材料表面形成转移膜,使摩擦发生在固体润滑剂内部,从而减少摩擦、降低磨损。目前,已发展了多种材料和润滑应用,例如物理气相沉积润滑薄膜、黏结固体润滑涂层、金属基高温耐磨自润滑复合材料以及聚合物自润滑复合材料等[3]。近年来,也有研究者探索将固体材料以粉末状态直接导入摩擦副,利用微小颗粒的摩擦、变形、碰撞、挤压以及滑滚等微观运动,减少相对运动表面的接触，保护表面免于损伤。文献[4]在雾化装置中将粉末润滑剂与气体混合并导入到摩擦副间隙中;试验结果表明,粉末润滑膜能够将摩擦副表面分离并起到承载作用,从而有效降低了摩擦系数和减少了磨损。文献[5]基于端面摩擦试验机对粉末润滑特性进行了研究,探索了载荷变化时粉末膜的形成和渐变破坏过程;研究结果表明,粉末润滑膜在一定载荷内长时间保持完整,并随载荷增加逐渐表现出破坏现象。文献[6]针对在塑性微挤压过程中坯料微型化时,材料的流动应力已不能按照传统塑性加工工艺等比缩小处理的问题,采用自行研制的塑性微挤压成形装置,分析比较了不同摩擦条件对挤压力以及成形试件表面质量的影响;试验结果表明,在不同摩擦条件下,石墨润滑时,挤压力有明显降低,试件表面质量也有较大改善。文献[7]研究了晶体结构与石墨相似的六方晶系氮化硼润滑剂在铝合金塑性成形中的摩擦行为和润滑性能；试验结果表明,氮化硼作为固体润滑剂可替代石墨并且干净环保,其摩擦磨损、润滑膜稳定性以及试件表面质量等摩擦性能的表现主要取决于氮化硼颗粒的大小和浓度。

鉴于金属材料塑性成形的广泛应用以及固体润滑剂在严酷条件下的良好适应性,目前颗粒流润滑与塑性成形的固体润滑已经引起众多学者的关注和研究,也取得了很多研究成果。然而目前塑性成形的固体润滑研究多集中在自润滑材料和固体润滑膜上,将粉末润滑应用到塑性成形中的研究尚未得到重视,塑性成形界面粉末润滑的摩擦机理还有很多问题亟待解决。本文主要以一种可以使粉末颗粒良好地吸附在金属表面的商用干性石墨润滑剂为研究对象,将其均匀喷涂到铝合金试样表面,采用合肥工业大学摩擦研究所自行设计的塑性拉延摩擦实验装置,分别对不同接触压力和粉末层厚度下铝合金拉延过程中石墨粉末的润滑特性和润滑膜微观形态进行了系统研究,为今后粉末润滑在塑性成形过程的研究奠定了一定的基础。

1 试验部分

1.1 摩擦试验设备与材料

拉延成形方法简单有效,被较多学者用来研究板材成形过程中一些参数对摩擦性能的影响[8-10],合肥工业大学摩擦学研究所自行设计的拉延摩擦试验装置如图1所示。

图1 试验装置

试验前,打开电脑上可实时显示并存储测量数据的无纸记录仪配套软件,装夹好试样并根据试验要求旋转加载旋钮进行预加载,使上、下模具相互压紧试样并达到需要的接触压力,在伺服电动机控制器的显示面板上设置一定的滑动速度,在伺服电机传动轴的带动下滑块向右方滑动,试验开始进行。滑动接触界面的摩擦力通过由销钉固定在滑块上的拉力传感器测出,接触压力由上模具顶部的传感器测出,摩擦力与接触压力的数值被无纸记录仪传输到计算机软件上,保存数据并处理可换算得到摩擦系数,换算公式为:

其中,μ为摩擦系数；F为摩擦力；N为接触压力。

试验所用的上、下模具材料为Cr12,模具边缘进行倒圆角处理,方便石墨粉末顺利地进入摩擦副间隙,表面经过高频淬火处理,硬度为HRC 58～60,表面粗糙度为0.06,可初步认为模具具有光滑、刚性的表面。试样材料为6016铝合金,具有成形性好、强度高、耐腐蚀性以及耐高温等特点,是一种适合于汽车应用的轻量化材料[11]；试样尺寸为200.0 mm×12.0 mm×1.0 mm,边缘用砂纸打磨去除毛刺,上、下模具与试样的名义接触面积为48 mm2。石墨的黏附性很好,且具有明显的层状六方晶体结构,层与层之间的结合力较弱,使得层面间在剪切力作用下容易滑移,是一种非常理想的润滑材料[12]。试验采用美国CRC工业公司生产的喷罐装干性耐高温石墨润滑剂,喷涂在金属表面后,溶剂会快速蒸发,石墨粉末能够良好地附着在基体表面,且容易去除。润滑剂在试样表面形成的粉末层的微观形态如图2所示。

图2 试样表面粉末层微观形态

1.2 试验方法

本文所有试验的滑动速度均设为2.0 mm/s,铝合金试样两表面皆喷涂润滑剂,每组试验进行5次重复试验,试验结果具有较好的可重复性。对仅喷涂单层石墨粉末的试样,将接触压力分别设为30.6、51.0、71.5、91.8、112.3 MPa进行试验,得到不同接触压力下摩擦系数的值;然后将接触压力设为71.5 MPa,分别对表面均匀喷涂2层、3层、4层和5层的试样进行试验,得到不同粉末量下摩擦系数的值。试验结束后用激光扫描显微镜对试件摩擦表面进行观察。

2 结果与讨论

2.1 接触压力、粉末层厚度对摩擦系数的影响

不同接触压力下,摩擦界面平均摩擦力与平均摩擦系数的变化情况如图3所示。

图3 摩擦界面平均摩擦力与平均摩擦系数的变化情况

由图3可知,平均摩擦系数随着接触压力的增大而减小,当接触压力不断增加时,摩擦力也在增加,但增大速度远远小于接触压力的增大速度。这是造成摩擦系数随接触压力增大而减小的直接原因。

在摩擦稳定阶段,不同接触压力下摩擦系数随时间的变化情况如图4所示。

图4 不同接触压力下摩擦系数随时间的变化情况

由图4可知,在接触压力最小和最高时摩擦系数的轮廓曲线浮动都比较大。这是因为石墨粉末吸附在铝合金表面后形成了一层粗糙的粉末层,在接触压力较小的情况下,部分石墨粉末被挤压进入试件表面微凸体中,另一部分则在模具的剪切作用下被挤出,造成润滑膜较薄且不均匀;同时模具与试件表面真实接触面积很小,使得摩擦界面的接触应力相对较大,因而摩擦系数较高且不稳定;随着接触压力增加,加剧了试件表面微凸体平坦化,同时石墨润滑膜被挤压变得光滑致密,润滑膜与模具表面贴合更紧,表面真实接触面积变大,从而摩擦系数减小,同时也变得稳定;当载荷增大到一定值后,试件表面微凸体由弹性变形向完全塑性变形转变,接触界面因素(如润滑膜的均匀程度、模具表面粗糙度)对摩擦状况的影响加剧,导致摩擦系数呈现较大波动。

不同粉末层厚度下摩擦系数及其随时间的变化情况如图5所示。

由图5a可以看出,粉末层厚度对摩擦系数影响较小,不同粉末层厚度之间摩擦系数变化不大,平均摩擦系数最大值与最小值之差仅为0.02,但是摩擦系数随着厚度的增加有明显的增大趋势,且数值增长幅度相似,呈直线逐步提升。这是因为随着喷涂粉末层数的增加,润滑膜表面的凹坑开始变得明显,表面更加粗糙,同时由于少量黏结剂的存在而具有一定的硬度和强度,必然会增加滑动过程的剪切作用力,造成摩擦系数随着粉末涂层层数的增加而增长。润滑膜表面凹坑成因为:润滑剂喷涂到试样表面后,由液态变为固态是快速凝固过程,液体流动分布不均匀,液态密度与固态密度不同,当密度相差较大时,粒子凝固时会发生收缩,收缩的过程中如果没有多余的液相来补充缩孔,就会形成凹坑;同时基体不良的表面状态,如表面有深的凹坑、凹坑内存在空气时,也会导致孔隙的产生,这种现象随着喷涂层数的增加而加剧。

图5 不同粉末层厚度下摩擦系数及其随时间的变化情况

图5b中,粉末层从1层到5层曲线轮廓的标准偏差平均值分别为0.368%、0.522%、0.417%、0.642%、0.846%。由图5b可知,在粉末量充足时,粉末量的改变对塑性成形过程摩擦副运动平稳性的影响不大,即使粉末层为5层时,摩擦系数的曲线轮廓的标准偏差达到最大值0.846%,在试验过程中,该摩擦系数的波动依然属于较小的范畴。这是因为粉末量充足时,粉末层受模具的挤压将会在摩擦副间隙形成致密的壳状润滑层,铝合金表面被完全覆盖,使得摩擦发生在模具与较软的粉末层之间,从而保证了拉延过程具有良好的平稳性。

2.2 接触压力、粉末层厚度对润滑膜的影响

不同接触压力下润滑膜激光显微镜图如图6所示。由图6a可以看出,当接触压力较小时试件表面几乎被润滑膜完全覆盖,润滑膜被挤压变得致密光滑,但润滑膜较薄,在滑动方向上有轻微的划痕。

图6 不同接触压力下润滑膜激光显微镜图

由图6b、图6c和图6d可以看出,随着接触压力的增加,试件表面开始出现有规律的横向划痕,且接触压力越大现象越明显。这是由于试件在较大压力下开始弯曲变形,拉拔过程试件不能完全水平运动,试件表面受力不均匀,导致模具边缘与试件接触区域应力集中,即出现爬行现象,造成润滑膜破坏;另一方面,试件表面润滑膜未被破坏区域由于压力增大使得摩擦副间隙变小,石墨粉末被挤压变得光滑平整致密,可见若不考虑爬行现象,适当提高接触压力可以提高表面润滑膜的质量。

当接触压力为112.3 MPa时,由图6e可以看出,润滑膜已经被严重破坏,不仅由爬行现象造成的横向划痕增多,沿滑动方向划痕也开始增多。这是由于接触压力较大时铝合金塑性变形加剧,爬行现象造成的应力集中也更明显;同时摩擦副表面剪切力过大,使得石墨粉末容易被挤出摩擦副,所形成的润滑膜自身的强度及承载中已不足以抵抗模具表面的剪切作用,从而造成润滑膜的擦伤。

不同粉末层厚度下试验后润滑膜典型破坏形式的激光显微镜图如图7所示。

图7 不同粉末层厚度下试验后润滑膜典型破坏形式的微观形态

由图7a可以看出,润滑膜表面光滑平整,润滑膜几乎完全覆盖基体,仅少部分局部区域被破坏,露出金属表面,破坏形式主要为擦伤。

由图7b可以看出,当试件表面喷涂3层石墨粉末时,润滑涂层基本覆盖了金属表面,没有出现明显划痕,但是膜表面粗糙,有许多不规则裂纹,仔细观察可以发现这些裂纹一部分是粉末层被破坏留下的断层边缘，即出现分层剥落现象。这是因为石墨粉末是逐层喷涂的,层与层之间的黏结力较弱,外层和模具首先接触的那层粉末可能被模具挤压或者粘连而脱落,从而出现分层现象。还有一部分裂纹则是粉末层被挤压断裂形成的裂痕。

由图7c可以看出,当试件表面喷涂4层石墨粉末时,试验后典型破坏区域的膜表面状况恶劣,有大面积粉末层从金属表面整体脱落,造成金属表面裸露。同时粉末层表面还存在一些层片状石墨粉末聚集体。

由图7d可以看出,当试件表面喷涂5层石墨粉末时,试件表面粉末层破坏严重,石墨粉末呈较大面积块状剥落。

从剥落区域痕迹可以看出,断层边缘清晰鲜明,与基体没有出现粘连情况,具有一定的脆性破坏特征。这是由于当粉末量足够多时,粉末层经模具挤压、剪切后脱落的粉末也较多,一方面造成润滑膜表面状态变得复杂,另一方面也造成石墨粉末脱落区域面积较大。同时还有部分区域粉末层出现了明显的鼓包现象,鼓包表面有裂痕。另外还有局部粉末层没有形成，明显鼓包但呈现出被掀起的状况,且沿滑动方向有整体位移现象,润滑膜情况比较复杂。

总体上,对比单层粉末涂层,喷涂2层粉末涂层试验后因爬行现象而产生的横向划痕明显减少，因此表面状况更加良好。这是由于润滑膜厚度增加后润滑层机械强度和承载能力增强,摩擦界面载荷和摩擦力合力所引起的应力不足以将润滑膜破坏,摩擦发生在模具与较软的粉末涂层之间,削弱了爬行现象的影响。

然而增加石墨粉末的用量尽管使得润滑膜厚度增加,降低模具对基体的损伤,但粉末层是逐层喷涂,层与层间黏结力较弱,同时还要考虑润滑膜厚度不均匀的影响；另外,摩擦表面应力状态变得复杂,各处受力极不均匀,造成部分受局部应力较大的润滑膜被破坏。

3 结 论

(1) 本文将石墨粉末应用到塑性成形过程中取得了良好的润滑效果,多数工况条件下润滑膜能有效地保护金属表面。爬行现象是导致润滑膜破坏的主要原因,这种破坏现象随着接触压力的增大而加剧。

(2) 适当增加粉末层厚度可以有效提高塑性成形摩擦界面润滑质量,削弱爬行现象的影响。但并不是粉末量越多润滑效果越好,粉末层厚度的增加不能超过某一临界值,其最佳厚度随使用工况而变化。

(3) 摩擦系数随接触压力的增加而减小,随着粉末层厚度的增加而增加。 不同粉末层厚度下,表面膜的典型破坏形式有所区别,主要有鼓包、分层剥落和擦伤等形式。

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(责任编辑 胡亚敏)

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

国家自然科学基金资助项目(51175136;51475135);中国博士后科学基金资助项目(2014M550339)和清华大学摩擦学国家重点实验室开放基金资助项目(SKLTKF13A2)

史 超(1990-),男,安徽泗县人,合肥工业大学硕士生; 刘 焜(1963-),男,陕西汉中人,博士,合肥工业大学教授,博士生导师.

10.3969/j.issn.1003-5060.2016.12.005

TH117.1

A

1003-5060(2016)12-1608-06