Ti6Al4V/WC-Co干摩擦性能研究

梁 雄 杜 平 高黨尋 李雙壽

(①清華大學基礎工業(yè)訓練中心，北京 100084；②清華大學摩擦學國家重點實驗室，北京 100084)

鈦合金因具有較高的比強度、良好的高溫性能以及優(yōu)異的耐腐蝕性，被廣泛應用于航空航天、醫(yī)療器械等領域[1-2]，其中Ti6Al4V為使用最多的一類α+β型鈦合金[3]。針對鈦合金的切削加工，常用的刀具材料是鎢鈷類硬質(zhì)合金(WC-Co)[4-5]。然而，作為一種典型的難加工材料，鈦合金的高切削溫度、強化學活性等特點使得加工過程中經(jīng)常遭遇嚴重的刀具磨損及切削刃的早期失效等問題，這不但影響了零部件的加工質(zhì)量和效率，而且增加了成本[6]。雖然使用切削液進行潤滑和冷卻能夠一定程度上緩解刀具的磨損問題，但出于對綠色制造的考量，采用干式切削將是著眼于制造過程可持續(xù)性和經(jīng)濟性的最佳解決方案[7-8]。

針對鈦合金干切條件下刀具磨損過快的問題，研究者從刀具磨損機理、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面開展了相關(guān)研究。Kim D等人[9]研究了使用硬質(zhì)合金鉆頭加工Ti6Al4V時的刀具磨損規(guī)律，實驗發(fā)現(xiàn)刀具主要表現(xiàn)為后刀面磨損和微崩刃，磨損形式為黏著磨損和氧化磨損。Wang X等人[10]研究了涂層對刀具磨損的影響。實驗結(jié)果表明，涂層對降低鈦合金干切時刀具的磨損能夠發(fā)揮有益作用，原因是涂層可以減少積屑瘤的形成，提高切削過程穩(wěn)定性從而降低刀具發(fā)生崩刃的風險。Iliescu D等人[11]研究了Ti6Al4V鉆削時切削速度和進給量對刀具磨損的影響，并根據(jù)實驗結(jié)果提出了切削參數(shù)與刀具磨損量之間的回歸模型，可用于一定條件下刀具磨損的監(jiān)測。范依航等人[12]采用硬質(zhì)合金刀具進行Ti6Al4V外圓車削加工試驗，通過對刀具磨損區(qū)微觀形貌表征及能譜分析，給出了刀具材料從基體脫落的物理演變過程模型，結(jié)果表明在切削過程中刀-屑接觸面伴隨著嚴重的黏結(jié)、擴散以及氧化現(xiàn)象，隨著切削速度的提高，加速了這種現(xiàn)象的發(fā)生。

從以上結(jié)果來看，已有研究大多是在切削實驗的基礎上進行的，這種研究方法能夠較好地反應工況條件下的刀具磨損特征，但由于不能進行實時觀測，因而缺失了磨損過程信息，導致在揭示刀具磨損機理方面仍然存在很大的局限性。從本質(zhì)上講，磨損是由兩個滑動接觸面之間的相互作用引起的1個連續(xù)損傷過程，因此，摩擦副材料間的摩擦學行為對磨損過程起著決定性的作用，然而目前還少有此方面的研究。

本文針對鈦合金干切時刀具磨損嚴重的問題，通過摩擦磨損實驗來研究刀具材料(WC-Co)與工件材料(Ti6Al4V)在干摩擦條件下的摩擦學行為，探究不同因素對摩擦過程的影響，從而為揭示鈦合金切削時的刀具磨損機理、控制刀具磨損提供參考。

1 實驗方案設計

1.1 實驗材料

本研究中摩擦磨損實驗采用上試樣為球、下試樣為盤的球-盤接觸形式。其中上試樣為直徑10 mm的YG8硬質(zhì)合金球(其Co含量為8%，其余為WC)，下試樣為Ti6Al4V(TC4)，兩者的材料性能如表1～2所示。

表1 YG8硬質(zhì)合金材料性能

表2 Ti6Al4V材料性能

實驗前需將鈦合金通過線切割成尺寸為13 mm×13 mm的矩形試樣。為避免表面機械加工時形成的氧化膜和污染對實驗結(jié)果的影響，還需進行拋光處理，即利用不同粒度的砂紙和拋光膏對其表面進行打磨拋光，之后分別用丙酮、酒精和去離子水超聲清洗15 min，并用壓縮空氣吹干備用。

1.2 實驗設備

Optimal SRV-Ⅳ型高溫摩擦磨損試驗機是一種廣泛用于摩擦磨損試驗的標準設備，如圖1所示。實驗前，上下試樣通過專用夾具進行固定，其中下試樣在整個實驗過程中保持靜止，而上試樣在垂直懸臂的帶動下作往復直線運動。通過設備配套的軟件可以對實驗外加法向載荷、摩擦運動行程和頻率以及實驗溫度等參數(shù)進行設定。實驗開始后，儀器會實時記錄摩擦副之間的摩擦系數(shù)及摩擦行程等信息。

1.3 實驗條件

摩擦磨損實驗條件如表3所示，表中各參數(shù)均根據(jù)實際切削加工時的常規(guī)加工參數(shù)選取。

表3 摩擦磨損實驗中的實驗參數(shù)范圍

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦過程基本特點

圖2為Ti6Al4V與WC-Co在干摩擦條件下，法向載荷為100 N、滑動速度為2.4 m/min時的摩擦系數(shù)曲線。可以看到，整個摩擦過程分為兩個階段：第一階段摩擦系數(shù)大幅波動，屬于跑合過程，之后摩擦系數(shù)的變化趨于平緩，但仍在一定范圍內(nèi)波動。同時，全程摩擦系數(shù)均高于0.5，且隨著時間的增加，摩擦系數(shù)呈現(xiàn)整體上升趨勢，直至實驗結(jié)束。此外，實驗過程中還可以聽到劇烈的、不均勻的噪聲。以上現(xiàn)象都說明鈦合金與硬質(zhì)合金之間的摩擦非常劇烈，并且在以上實驗參數(shù)下不能維持穩(wěn)定的摩擦狀態(tài)。

從已有研究看，這種不穩(wěn)定是由于鈦合金強烈的黏附傾向和化學親和性造成的。從圖3中摩擦行程(往復摩擦實驗中摩擦副之間單向最大相對運動距離)隨時間的變化曲線可以看到，在整個滑動摩擦過程中，摩擦行程的波動非常大，而理想情況下摩擦行程應該始終保持恒定。以上實驗現(xiàn)象說明在摩擦界面發(fā)生了顯著的黏滑與摩擦躍動現(xiàn)象：起初，隨著摩擦過程的進行，黏著結(jié)點隨之增長，導致剪應力增大，真實接觸面積也逐漸增大，摩擦界面之間保持黏著接觸；當剪應力超過黏著強度時，黏著結(jié)點會發(fā)生斷裂造成兩表面迅速發(fā)生滑移，產(chǎn)生摩擦躍動；黏滑過程不斷地重復發(fā)生，就會導致摩擦系數(shù)及滑動行程出現(xiàn)波動。

2.2 載荷的影響

不同載荷情況下Ti6Al4V/WC-Co的摩擦系數(shù)曲線如圖4。由于鈦合金自身摩擦性能差，黏著傾向顯著，因此無論在低載還是高載下均有嚴重的黏滑摩擦現(xiàn)象，表現(xiàn)為摩擦系數(shù)曲線的大幅度波動，而隨著載荷的增加，黏滑現(xiàn)象愈加劇烈。此外，從整體的摩擦系數(shù)值來看，隨著載荷增加，摩擦系數(shù)呈波動上升，并且在高載荷下摩擦系數(shù)出現(xiàn)大于1的情況。由于實驗平臺是通過測量滑動方向的摩擦阻力來計算摩擦系數(shù)的，而Ti6Al4V/WC-Co之間存在較為嚴重的黏著現(xiàn)象，因此會導致儀器測量的摩擦力數(shù)值中包含了接觸表面相對運動時克服黏著結(jié)點而產(chǎn)生的剪切力，從而使一定條件下的表觀摩擦系數(shù)大于1。

2.3 溫度的影響

由于鈦合金變形系數(shù)小，在實際切削加工時切屑與前刀面的接觸面積小造成刀尖應力集中而產(chǎn)生大量切削熱，加之鈦合金導熱系數(shù)低，熱量不能及時傳導出去，造成切削區(qū)域溫度急劇上升。鈦合金切削加工時，切削區(qū)溫度通常會高達600 ℃左右，因此必須考慮溫度對摩擦過程造成的影響。

圖5為不同溫度條件下鈦合金與硬質(zhì)合金之間的摩擦系數(shù)曲線。室溫下，經(jīng)跑合過程后，摩擦系數(shù)曲線整體趨于平穩(wěn)，但由于黏滑效應與摩擦躍動，摩擦系數(shù)仍然表現(xiàn)出一定范圍內(nèi)的波動；當實驗溫度升高至300 ℃時，摩擦系數(shù)值有一定的增加，但變化較小；溫度進一步增加至500 ℃、700 ℃時，摩擦系數(shù)有較大幅度的增加。這是因為當溫度超過500 ℃時鈦合金的化學活性會突然增強，對硬質(zhì)合金的黏附更加劇烈，摩擦界面上黏著結(jié)點的數(shù)量和面積都增加，使摩擦過程更加不穩(wěn)定，因而導致摩擦系數(shù)的快速上升以及波動量的增大。由此可見，對于鈦合金加工，控制接觸區(qū)溫度對于控制刀具磨損具有重要意義。

2.4 速度的影響

速度對Ti6Al4V/WC-Co之間摩擦系數(shù)的影響如圖6所示。首先，摩擦系數(shù)隨著速度的增加而明顯增大，且波動也越來越劇烈。此外，可以看出即使在低速下，摩擦系數(shù)曲線波動依然很大，這說明鈦合金自身的材料特性導致其摩擦品質(zhì)非常差，無論是在低速還是高速下均不能維持穩(wěn)定的摩擦過程。

2.5 磨損機理分析

圖7顯示了磨損區(qū)域表面的微觀形貌?？梢钥闯鲈阝伜辖鸨砻娲嬖诖髩K的黏著點，而硬質(zhì)合金球表面也可見大量的黏附物，這是黏著磨損的典型特征。EDS分析表明硬質(zhì)合金球表面的黏著物含有Ti、Al、V等元素，這說明摩擦過程中鈦合金通過物質(zhì)轉(zhuǎn)移粘附到了硬質(zhì)合金表面。以上現(xiàn)象均說明在滑動摩擦過程中發(fā)生了嚴重的黏著磨損。此外觀察到鈦合金表面還存在很多較為規(guī)則排列的溝槽，這是由于硬質(zhì)合金的硬度遠大于鈦合金，摩擦過程中表面粗糙峰嵌入較軟的鈦合金表面產(chǎn)生的犁溝作用造成的。

黏滑現(xiàn)象的產(chǎn)生與鈦合金自身極差的摩擦學特性有直接關(guān)系：鈦元素化學性質(zhì)活潑，與硬質(zhì)合金之間化學親和性強，同時鈦合金的彈性模量又不高，摩擦過程中易變形，因此容易發(fā)生黏著。另外鈦元素在溫度高于500 ℃時其化學活性大大增強，會與多數(shù)刀具材料發(fā)生強烈的親和作用，并會與空氣中的氧、氮和水蒸氣等發(fā)生化學反應，形成硬而脆的表面膜，也會加劇材料的磨損。

由以上結(jié)果可以看出鈦合金對硬質(zhì)合金的黏附作用在不同載荷、溫度和滑動速度情況下都非常明顯，即使在較低的載荷和滑動速度下，摩擦系數(shù)的波動依然非常劇烈，因此在實際切削加工時，很難通過調(diào)整加工參數(shù)完全避免鈦合金造成的黏著磨損。不僅如此，摩擦系數(shù)的大幅波動導致刀具不能穩(wěn)定切削，這也是造成刀具出現(xiàn)早期失效的重要原因。同時切削溫度也是影響鈦合金切削中刀具磨損的關(guān)鍵因素。鈦合金由于導熱系數(shù)低、彈性變形大及刀屑接觸面積小等原因，導致切削過程中切削熱不容易及時傳導出去而集中于切削刃附近，引起很高的切削溫度。根據(jù)圖5的實驗結(jié)果，隨著溫度的升高，Ti6Al4V/WC-Co之間的摩擦系數(shù)逐漸增加，尤其是當溫度超過500 ℃之后摩擦系數(shù)會有較大幅度的升高，此時刀具的磨損也會變得更加嚴重，因此對于鈦合金切削，切削溫度的控制對于減小刀具磨損至關(guān)重要。

3 結(jié)語

(1)黏滑與摩擦躍動現(xiàn)象是Ti6Al4V與WC-Co干摩擦過程的基本特征，即使在較低的載荷或滑動速度下該特征依然不能消除。

(2)載荷、溫度和滑動速度對Ti6Al4V/WC-Co干摩擦過程均有顯著影響。摩擦系數(shù)值隨載荷、溫度和滑動速度的增加而明顯增大，其中滑動速度的影響更加明顯；當載荷超過100 N、溫度高于500 ℃時摩擦系數(shù)會有較大幅度的上升。

(3)黏著磨損是Ti6Al4V/WC-Co干摩擦時的主要磨損形式，但由于鈦合金硬度遠小于硬質(zhì)合金，其磨損表面同時存在由犁溝效應導致的溝槽。