FeCoNiCrMo高熵合金磨削機理及表面粗糙度

溫雪龍， 于興晨， 鞏亞東， 孟凡濤

(東北大學(xué) 機械工程與自動化學(xué)院， 遼寧 沈陽 110819)

高熵合金具有高硬度、高強度、高耐磨性、高耐腐蝕性、高抗氧化性等特點[1-2]，在材料學(xué)領(lǐng)域具有極高的學(xué)術(shù)研究價值.高熵合金、復(fù)合材料與大塊非晶被稱為未來最具發(fā)展?jié)摿Φ娜蟛牧蟍3-4].近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者對高熵合金的制備及組織性能等方面進行了大量研究.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的屈服強度和74%的延伸率，軋制后的屈服強度接近1 310 MPa，而延伸率降至1.3%.Ocelik等[7]用激光熔覆法制備AlCoCrFeNi高熵合金并檢測冷卻速率對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行對比，發(fā)現(xiàn)電子束熔煉的樣品雖然強度略微下降，但是塑性提髙近20%.Liu等[9]研究磨削參數(shù)對氮化硅磨削表面質(zhì)量的影響規(guī)律，實驗結(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)對超高強度鋼Aermet100表面粗糙度的影響，實驗結(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)高熵合金的機械加工方面研究還未見報道.磨削是保證零件加工表面質(zhì)量的最后一道工序，對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，但是針對高熵合金的磨削加工工藝尚缺少系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)支持，所以本文對高熵合金磨削加工工藝相關(guān)問題的研究具有一定意義.

本文針對FeCoNiCrMo高熵合金進行磨削工藝實驗研究，研究其材料去除機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.實驗結(jié)果為高熵合金的磨削加工提供數(shù)據(jù)參考.

1 實驗條件和方法

1.1 實驗材料與設(shè)備

高熵合金試件的磨削過程如圖1所示.實驗采用120#電鍍CBN砂輪和樹脂結(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.

實驗材料為鑄造FeCoNiCrMo高熵合金，試件如圖3所示.通過掃描電鏡對試件組分進行檢測，得到試件中Fe，Co，Ni，Cr，Mo的質(zhì)量分數(shù)分別為24.39%，24.39%，24.39%，24.39%，2.44%.

磨削實驗在2M9120工具磨床上進行，實驗后分別用VHX-1000E 超景深顯微系統(tǒng)和MICROMEASURE 三維輪廓儀來檢測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量步長為0.078 μm.

1.2 實驗方案設(shè)計

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

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

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 材料去除機理

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.通過對磨屑的分析可知，F(xiàn)eCoNiCrMo高熵合金滿足塑性材料去除機理.

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，說明高熵合金的磨削過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)生了嚴重的扭曲，這是因為在磨削力的作用下，高熵合金的組織發(fā)生了塑性剪切滑移.再結(jié)合前面對磨屑形貌的觀察與分析，可以說明在此磨削條件下高熵合金的去除機理為塑性去除.

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,各個年齡段均可發(fā)病,且尚無特效根治藥物,導(dǎo)致患者大多只在發(fā)病時重視對其的治療,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],對于藥物副作用的恐懼、以及對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；這是因為在磨削深度與進給速度不變的情況下，磨削速度增大，參與磨削過程的磨粒數(shù)增加，單位時間內(nèi)磨削表面被磨粒磨過的次數(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，表面粗糙度值均逐漸增大；這是因為在磨削速度與進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越大.隨著工件進給速度的增大，表面粗糙度值呈現(xiàn)增大趨勢；這是由于在磨削深度與磨削速度不變的情況下，進給速度增大，參與磨削過程的磨粒數(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)變化的趨勢一致，但用電鍍砂輪磨削的試件表面粗糙度值大于用樹脂結(jié)合劑砂輪磨削的試件表面粗糙度值.這是因為樹脂結(jié)合劑砂輪的彈性較好，耐沖擊，有拋光的作用，并且樹脂結(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.所以采用樹脂結(jié)合劑砂輪進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.

對比分析采用樹脂結(jié)合劑砂輪和電鍍砂輪磨削FeCoNiCrMo高熵合金的正交試驗數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對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和進給速度vw.兩種砂輪磨削FeCoNiCrMo高熵合金時，不同磨削參數(shù)對磨削表面粗糙度影響的極差圖和方差圖如圖8所示.

為了進一步驗證上述結(jié)論，進行了一組磨削速度對磨削表面粗糙度影響的單因素實驗，設(shè)定磨削深度為20 μm，進給速度為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，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，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.這是因為磨削速度增大，單位時間磨過表面的磨粒數(shù)增加，使得磨削表面更加平整；同時，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.因此磨削過程中，提高磨削速度有助于改善磨削表面質(zhì)量.另外，通過兩種砂輪磨削表面的對比可以看出，樹脂結(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，磨削表面磨痕分布比較均勻，深度也較淺，表面相對比較平整.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.這是因為磨削深度增加，砂輪與工件的接觸弧長增大，單位時間去除的材料更多，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給速度下磨削的試件表面形貌.當(dāng)進給速度為0.45 m/min時，磨削表面的磨痕較淺，比較平整.隨著進給速度的增加，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.這主要是因為隨著進給速度的增加，參與磨削過程的磨粒數(shù)減少，單個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 冷卻液對磨削表面粗糙度的影響

采用樹脂結(jié)合劑砂輪在相同的磨削參數(shù)下進行的干磨和濕磨實驗，結(jié)果如圖13所示.可以看出，無論干磨還是濕磨，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是采用樹脂結(jié)合劑砂輪在磨削速度vs為15 m/s，進給速度vw為0.45 m/min，磨削深度ap為20 μm 時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，減少磨粒對磨削表面的劃傷，從而減小磨削表面粗糙度.同時，磨削過程中會產(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高熵合金在磨削過程中，其組織會沿晶界發(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足塑性材料去除機理.

2) FeCoNiCrMo高熵合金在磨削過程中，隨著磨削速度增大，進給速度和磨削深度減小，磨削表面粗糙度值呈減小趨勢.樹脂結(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.磨削速度是對磨削表面粗糙度影響最大的磨削參數(shù).

3) 采用樹脂結(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，凹坑也越來越少，表面平整.隨著磨削深度和進給速度的增大，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)的變化趨勢一致，濕磨表面粗糙度值小于干磨，濕磨的表面質(zhì)量更好.