振動研磨工藝對QAl10—4—4合金的表面組織及性能的影響

龔安華+付立銘+索忠源+王孝忠+單愛黨

摘要：

研究了振動研磨工藝對渦輪用QAl10-4-4合金組織和表面性能的影響.結(jié)果表明：振動研磨處理后，QAl10-4-4合金產(chǎn)生了從研磨表面至心部硬度逐漸降低的硬化層，表面硬度提高約20%；相對于未研磨處理的QAl10-4-4合金，經(jīng)振動研磨處理后，合金處于表面壓應(yīng)力狀態(tài)，表面殘余應(yīng)力提高約300 MPa，表面粗糙度明顯降低，表面摩擦因數(shù)顯著下降，耐磨性顯著提高.工程實際應(yīng)用結(jié)果表明：使用振動研磨工藝處理QAl10-4-4合金蝸輪提高整機的傳動效率超過20%.振動研磨后，材料表面綜合性能的提高與表層組織細化有直接關(guān)系.

關(guān)鍵詞：

振動研磨拋光； QAl10-4-4合金； 組織； 表面殘余應(yīng)力； 摩擦磨損

中圖分類號： TG 146.1-文獻標志碼： A

Effect on the Microstructure and Surface Properties

of the QAl10-4-4 Alloy by the Mechanical

Vibration Polishing Treatment

GONG Anhua1，2， FU Liming1， SUO Zhongyuan1，3， WANG Xiaozhong2， SHAN Aidang1，2

（1.School of Materials Science and Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240，

China； 2.Rotork Actuation（Shanghai） Co. ， Ltd. ， Shanghai 201108， China； 3.College of

Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin 132022， China）

Abstract：

This paper studies the effect on microstructure and surface properties of the QAl10-4-4 alloy via mechanical vibration polishing treatment（MVPT）.It is found that a hardened layer was present in the QAl10-4-4 alloy after MVPT and the hardness gradually decreases from the surface to the centre.The surface hardness increased by 20%.Compared to the samples without MVPT，samples with MVPT has a compressive stress state，increased the surface residual stress by about 300 MPa，and reduced the surface roughness and surface friction coefficient greatly which led to increase the wear resistance.Practical applications indicates that mechanical efficiency increases more than 20% by using the QAl10-4-4 alloy（with MVPT） worm wheel .The improvement of the comprehensive surface properties of the alloy with MVPT is directly associated with refinement of microstructures in the hardened layer.

Keywords：

mechanical vibration polishing treatment（MVPT）； QAl10-4-4 alloy； microstructure； surface residual stress； friction and wear

通過對材料表面進行強化處理可以有效地改善機械零件的表面性能，提高零件的壽命和使用穩(wěn)定性.機械振動研磨是一種改善材料表面性能的方法，它將被加工零件置于盛有磨塊和磨劑介質(zhì)的滾筒中，在復(fù)雜的三維相對運動作用下，游離狀態(tài)的磨塊以一定頻率和沖擊力對零件表面進行碰撞、滾壓及微量磨削，從而細化表面粗糙度、去除加工毛刺、減輕或消除表面缺陷，改善表面力學(xué)性能，達到提高零件表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能的目的[1-2].與噴（拋）丸、滾壓和孔擠壓等傳統(tǒng)的表面強化或處理技術(shù)相比，機械振動研磨處理，零件表面的相對塑性變形小，不破壞零件表面形態(tài)，提高零件表面粗糙度，從而提高材料壽命[3-5].這種處理工藝的設(shè)備簡單，維護運行成本低廉，是一種有效的表面處理技術(shù)[2].研究表明，在合理的工藝下，微粒沖擊工件的表層硬度與普通噴丸處理的工件表面硬度相當，微粒沖擊明顯降低了工件表面粗糙度，表面組織有納米化的趨勢，材料的表面耐磨特性得到了顯著提高.但有關(guān)機械振動研磨對材料表面強化影響及其機理方面的研究不多[6-9].

蝸輪蝸桿傳動作為一種典型的、傳統(tǒng)的傳動機構(gòu)，廣泛用于機床、冶金、礦山、交通設(shè)備、起重設(shè)備及工業(yè)設(shè)備中.蝸輪和蝸桿零件的形狀特殊，對表面質(zhì)量和耐磨性及使用壽命要求極高，一直是研究與應(yīng)用的熱點.QAl10-4-4合金，是一種應(yīng)用在使用性能要求較高的蝸輪制造中的材料.通常該材料在加工成型過程中，需首先進行應(yīng)力退火處理，然后再整體進行淬火處理，以滿足使用的技術(shù)指標與要求[10-12].某型號鋁青銅合金蝸輪產(chǎn)品早期通過熱處理后再冰冷處理，勉強通過測試.但一次合格率較低，返工率偏高，生產(chǎn)不能穩(wěn)定進行，給正常的生產(chǎn)測試造成了很大的影響.改用振動研磨工藝后，性能穩(wěn)定，效果明顯.

本文以渦輪用QAl10-4-4合金為試驗材料，研究了振動研磨工藝對該材料的表面應(yīng)力狀態(tài)、表面組織、性能和耐磨性的影響規(guī)律.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗合金成分與樣品制備

試驗用合金為一種典型的蝸輪用擠壓后退火態(tài)QAl10-4-4合金，其化學(xué)成分如表1所示.

試驗采用400 L型立式振動研磨機，設(shè)備原理及實物如圖1和圖2所示.試樣切割成1.0 mm厚的薄片狀，并為其設(shè)計了專門的安裝夾具，將試樣固定在自制的夾具上，如圖2（b）所示.然后放入立式振動研磨拋光機（圖2（a）），采用10 mm×10 mm正三角，8 mm×8 mm斜三角和8 mm×8 mm圓柱形3種形狀的棕剛玉研磨料.3種研磨料按質(zhì)量比1∶1∶1配料，將試樣與實際生產(chǎn)的產(chǎn)品分別進行1，2和3 h振動研磨處理.此外，準備了一組雙面振動研磨的薄片狀試樣，用于后續(xù)的拉伸性能測試研究.

1.2 試驗方法

磨損試驗采用UMT-3多功能摩擦磨損試驗機，試驗機采用銷盤式摩擦，試驗樣品為圓柱狀，其摩擦對偶為盤狀.載荷、速度、距離、氣氛及摩擦對偶等測試參數(shù)和摩擦條件都可以自行調(diào)整.摩擦因數(shù)通過與連桿上裝置的傳感器連接的計算機測出.試樣尺寸4.5 mm×20 mm，對磨副為GCr15（淬火+低溫回火態(tài)），在室溫進行干摩擦及浸油摩擦.磨損參數(shù)：載荷40 N，時間1 h，摩擦速度100 r/min，試樣及對磨副在磨損前后均需要進行清洗、吹干、稱重（萬分之一天平），測量磨損質(zhì)量.

材料分別進行切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕（腐蝕液采用體積分數(shù)為5%的氯化高鐵+鹽酸水溶液）制成金相樣品.采用MEF4A型金相顯微鏡（OM）和Phenom GSR飛納臺式掃描電子顯微鏡（SEM）進行組織觀察.X射線衍射分析在島津Shimadzu XRD-6000型全自動衍射儀上進行，Cu Kα靶材，2θ/（°）連續(xù)掃描，掃描范圍30°～100°，掃描速度為1°/min，掃描電壓/電流為40 V/40 mA.采用加拿大PROTO公司的iXRD-300 W應(yīng)力分析儀，根據(jù)歐洲標準EN 15305—2008和我國標準GB/T 7704—2008進行表面殘余應(yīng)力測試，拉應(yīng)力的值規(guī)定為正，壓應(yīng)力的值規(guī)定為負[13-14].根據(jù)國標GB/T 4340.1—2009，利用ZEISS-Observe維氏顯微硬度計對研磨后樣品的側(cè)面距研磨表面不同距離進行硬度測試，載荷500 g，加載時間15 s.

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 震動研磨工藝對組織的影響

圖3為試驗初始QAl10-4-4合金的典型金相組織.白色基體為α相，粒狀或者細小的灰色塊狀為K相.經(jīng)過振動研磨處理后的樣品出現(xiàn)表層組織細化層（如圖中直線標識處至表層的區(qū)域），并且隨著研磨時間的延長，細化層的厚度逐漸增加.當振動研磨時間達到3 h，觀察到組織細化層的厚度超過10 μ m.

圖4為振動研磨2 h后樣品的SEM組織觀察結(jié)果.相對未研磨的樣品，研磨后樣品表面的組織更加均勻，組織相對細小.圖5給出了兩種樣品的XRD分析結(jié)果，合金中主要由 α基體、β 和K相組成，相對于未振動研磨樣品，經(jīng)振動研磨（VMP-1 h）樣品的衍射峰呈現(xiàn)略寬化特征，這與表面組織的變化有直接關(guān)系.

2.2 震動研磨工藝對材料表面性能的影響

不同振動研磨時間下，從研磨表面至材料心部的不同深度層的硬度變化如圖6所示.從表層至心部的硬度逐漸減小直至不再變化.根據(jù)硬度的變化，可以看出，振動研磨的硬化層深度達到20 μ m左右.相對于振動研磨1 h的樣品，振動研磨2 h和3 h的樣品，其硬化的效果更明顯，硬化層深度增加約20%.結(jié)合組織分析可以推測，振動研磨后，材料表層的硬化與材料表面的組織細化有直接關(guān)系.此外，振動研磨對QAl10-4-4合金的表面粗糙度也有重要影響.

圖7為QAl10-4-4合金的表面粗糙度隨研磨時間的變化曲線.相對于未研磨的樣品，振動研磨后表面粗糙度都大幅下降.可見，振動研磨工藝顯著改善了材料的表面性能.

2.3 表面應(yīng)力分析

不同振動研磨時間下QAl10-4-4

合金表層殘余應(yīng)力測試結(jié)果如表2所示.振動研磨后的樣品主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力（應(yīng)力為負值），研磨前樣品的表面應(yīng)力主接近于0.經(jīng)振動研磨1 h后，表層正應(yīng)力顯著增加，達到（275.7±6.2）MPa.隨著研磨時間的增加，應(yīng)力緩慢增加.相對于正應(yīng)力，經(jīng)振動研磨處理后表面切應(yīng)力均小于10 MPa.說明振動研磨工藝顯著增加了樣品的表面壓應(yīng)力，但并未明顯增加切應(yīng)力.

2.4 震動研磨工藝對耐磨性分析

圖8為QAl10-4-4合金的磨損量及摩擦因數(shù)隨振動研磨時間的變化關(guān)系曲線.在相同的摩擦磨損測試條件下，振動研磨明顯提高了材料摩擦因數(shù)，降低了材料的磨損損失量.并且隨著研磨時間的延長，摩擦因數(shù)和磨損量逐漸降低.

圖9為未振動研磨與振動研磨3 h試樣的磨損面的磨損形貌.觀察發(fā)現(xiàn)，未振動研磨處理的試樣磨

損面上存在大量的金屬分層剝落和較深犁溝.而振動研磨處理3 h后的試樣表面的磨損形貌主要是較淺和較為致密犁溝，這說明振動研磨工藝顯著提高了QAl10-4-4合金的耐磨性能.

2.5 振動研磨工藝的工程應(yīng)用效果

圖10為振動研磨與未振動研磨工藝在工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)對比結(jié)果.通過對未研磨和研磨狀態(tài)的零件進行工程整機測試，從綜合性能數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)出了3年內(nèi)該系列執(zhí)行機構(gòu)產(chǎn)品使用兩種工藝的測試數(shù)據(jù)記錄.通過計算統(tǒng)計對比得出圖10中的數(shù)據(jù).從圖10中可以看出，振動研磨工藝使產(chǎn)品整機負載電流下降了14.44%，輸出效率當量增加了15.86%.此外，通過對整機傳動效率的綜合對比，發(fā)現(xiàn)使用振動研磨工藝處理QAl10-4-4合金蝸輪可以顯著地提高蝸輪蝸桿的傳動效率，執(zhí)行器的蝸輪蝸桿傳動效率提高超過20%.

3 結(jié) 論

（1） 經(jīng)振動研磨工藝處理后的QAl10-4-4合金的表面硬度提高了約20%，并且從研磨表面至心部，硬度逐漸降低，硬化層與材料表層組織細化有直接關(guān)系.

（2） 振動研磨處理1 h的QAl10-4-4合金表面為殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，試樣表面應(yīng)力由原來的接近于0增加到275 MPa；當振動研磨處理達到2 h后，表面壓應(yīng)力增加趨于平緩.

（3） 經(jīng)振動研磨處理后的QAl10-4-4合金表面的粗糙度明顯降低，表面摩擦因數(shù)顯著下降，耐磨性顯著提高.

（4） 工程實際應(yīng)用結(jié)果表明，使用振動研磨工藝處理QAl10-4-4合金蝸輪提高整機的傳動效率超過20%.

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