鋯基塊體金屬玻璃高速銑削表面微觀結構的研究

張海寧，張鑫禮，李 霞

（1.包頭鋼鐵職業(yè)技術學院數(shù)控工程系，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.鄭州宇通客車股份有限公司海外產(chǎn)品部，河南 鄭州 450061）

1 引言

塊體金屬玻璃（BMG）是一種非晶態(tài)結構的金屬材料，其原子排列呈現(xiàn)長程無序、短程有序的特點[1?2]，因此與晶態(tài)金屬相比，具有更強的物理性能，能夠承受更大的拉伸強度，硬度表現(xiàn)極佳，現(xiàn)已被已被廣泛用于醫(yī)學、電子、運動設備等諸多工業(yè)領域。

由于BMG材料的高強度、低彈性的特點，其宏觀塑性情況并不樂觀，因此與傳統(tǒng)金屬相比，對其銑削加工機制的研究也存在很大的不同[3]，學者們試圖通過了解其微觀結構變化來改善其宏觀可塑性[4?5]。然而目前學術界的主要研究方向集中在切削過程中刀具與工件連續(xù)接觸的情況[6?8]，而針對刀具與工件間歇接觸的情況以及加工條件對BMG表面微觀結構影響的研究較少。對高速銑削過程中BMG在非晶態(tài)和晶態(tài)狀態(tài)下的微觀結構特征進行了研究，分析了加工條件對BMG非晶態(tài)?晶態(tài)轉變的影響。

2 實驗方法與步驟

在微型銑床上進行實驗，主軸轉速設置為（10000～105000）rpm，銑床和工件參數(shù)[9?10]，如表1所示。對鋯基BMG進行側銑加工，軸向切削深度為2mm，徑向切削深度為0.45mm。

表1 實驗中所用的刀具和工件Tab.1 Tool and Workpiece in the Milling Experiment

首先，將工件切削成（15×20）mm 的樣品；再將樣品浸入0.25μm的金剛石懸浮液中進行冷卻、濕磨和拋光；然后用克羅爾蝕刻劑（2ml氫氟酸、6ml硝酸，100ml水）對樣品進行進一步處理；再使用Tescan?Vega 掃描電子顯微鏡（SEM）觀察處理之后的樣品；隨后采用AXS D8型X射線衍射儀來測定BMG的晶態(tài)或非晶態(tài)結構特征；最后通過雙體分布函數(shù)（PDF）對BMG的非晶態(tài)原子結構進行分析，以確定銑削加工對BMG原子結構分布的影響。

3 實驗結果與分析

3.1 用掃描電鏡觀察光發(fā)射和表面微觀樣貌

在對工件進行銑削加工時，通常會出現(xiàn)光發(fā)射現(xiàn)象，根據(jù)發(fā)光強度可以將其分為三個等級，即無光發(fā)射、間歇性光發(fā)射以及連續(xù)性光發(fā)射。實驗過程中，當主軸轉速為50000rpm，進給率為0.5μm∕刃時，沒有觀察到光發(fā)射現(xiàn)象；當進給率增加到3.0μm∕刃，在刀具行進到路徑的后半部分時開始出現(xiàn)間歇性的光發(fā)射現(xiàn)象；當進給率增加到4.5μm∕刃時，開始出現(xiàn)連續(xù)光發(fā)射現(xiàn)象，同時，刀具與工件接觸區(qū)材料出現(xiàn)了熔化現(xiàn)象，熔化的材料沉積在工件上致使加工表面的顏色產(chǎn)生了變化。當主軸轉速為60000rpm時，光發(fā)射現(xiàn)象早于50000rpm時出現(xiàn)，由此可知，進給率越大，材料變形區(qū)應力和溫度提升越快，相同的進給長度下，發(fā)射光的強度越高。

同一進給路徑下無光發(fā)射區(qū)和光發(fā)射區(qū)的表面粗糙度（Ra）變化情況，如表2所示。可以發(fā)現(xiàn)，無光發(fā)射現(xiàn)象時，Ra始終維持在（1～5）μm的范圍內(nèi)，出現(xiàn)光發(fā)射現(xiàn)象時，Ra有了明顯的升高趨勢。這是因為光發(fā)射加快了材料的熔化速度，熔化的材料累積在材料表面導致的。主軸轉速為60000rpm時，三種不同銑削條件下的材料表面形貌，如圖1所示。其中，肉眼觀測形貌，如圖1（a）～圖1（c）所示。SEM電鏡下的表面形貌，如圖1（d）～圖1（f）所示。

圖1 主軸轉速60000rpm時材料表面形貌放大圖像Fig.1 Visual and Magnified Images of the Machined Surface with the Spindle Speed of 60，000rpm

表2 研磨條件、光發(fā)射狀態(tài)和表面粗糙度變化情況Tab.2 Milling Conditions，Light Emission Status，and Surface Roughness

將BMG工件在主軸轉速為60000rpm，切削進給率為0.5μm∕刃、1.0μm∕刃及3.0μm∕刃三個條件下進行加工，獲取到三個樣品，將其與原始狀態(tài)的BMG表面形貌進行對比，來觀察材料由晶態(tài)向非晶態(tài)轉變的過程。

原始BMG工件的側表面微觀結構和形態(tài)，其中較亮的區(qū)域是鋯基的基體，較暗的點是均勻分布在基體中的小沉淀物，如圖2所示。通過鏡下觀察可以推測，較暗的點是初始加工過程中發(fā)生的非晶態(tài)到晶態(tài)轉變的結果。

圖2 原始BMG工件的側表面微觀結構和形態(tài)Fig.2 Microstructure and Morphology of Original BMG Workpiece at the Side Surface

將BMG工件在主軸轉速為60000rpm，進給率為0.5μm∕刃條件下進行加工，其SEM下表面形態(tài)，如圖3所示。此時光發(fā)射現(xiàn)象尚未產(chǎn)生，說明工件表面還未開始熔化，但暗點的大小和密度與原始BMG工件相比有了明顯的上升趨勢。這說明，在銑削過程中，晶化已經(jīng)發(fā)生并出現(xiàn)了少量結晶，也就是較大較暗的黑點，如圖3所示。

圖3 主軸轉速60000rpm，進給率0.5μm∕刃下的BMG機加工側表面SEM照片F(xiàn)ig.3 SEM Micrographs of Machined Side Surface of BMG Corresponding to the Spindle Speed of 60000rpm and the Feedrate of 0.5μm∕flute

主軸轉速不變，進給率提高至1.0μm∕刃時，獲取到的SEM照片，如圖4所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，此時出現(xiàn)了間歇性光發(fā)射現(xiàn)象，結晶也大量出現(xiàn)，沉淀物在更換切削條件后也擴大成為5μm左右的網(wǎng)狀沉淀。這說明，材料的晶化程度與刀具的進給率是成正比的。

圖4 主軸轉速60000rpm，進給率1.0μm∕刃下的BMG機加工側表面SEM照片F(xiàn)ig.4 SEM Micrographs of Machined Side Surface of BMG Corresponding to the Spindle Speed of 60000rpm and the Feedrate of 1.0μm∕flute

主軸轉速不變，進給率提高至3.0μm∕刃時，獲取到的SEM照片，如圖5所示。

此時光發(fā)射現(xiàn)象已遍布了整個材料表面。隨著溫度的不斷升高，原BMG的表面涂層被完全熔化，進而出現(xiàn)了變形和裂紋，導致材料表面出現(xiàn)了間隙，如圖5（a）所示。圖5（a）中A區(qū)域的放大圖像，如圖5（b）所示。從中可以推斷，由于加工過程中表面溫度并不穩(wěn)定，所以出現(xiàn)了動態(tài)凝固現(xiàn)象，進而導致材料表面劣化。

圖5 主軸轉速60000rpm，進給率3.0μm∕刃下的BMG機加工側表面SEM照片F(xiàn)ig.5 SEM Micrographs of Machined Side Surface of BMG Corresponding to the Spindle Speed of 60000rpm and the Feedrate of 3.0μm∕flute

3.2 X射線衍射儀下的BMG微觀結構

原始BMG和加工之后BMG材料表面的X射線衍射圖，如圖6所示。從中可以發(fā)現(xiàn)，原始BMG表面在2θ=38°和65°附近呈現(xiàn)寬峰，頂部具有微小的尖峰，這說明原始BMG以摻雜部分結晶的非晶態(tài)結構為主；在未出現(xiàn)持續(xù)光發(fā)射、且材料未開始出現(xiàn)熔化時，寬峰變窄，尖峰愈發(fā)明顯，證明此時工件表面開始出現(xiàn)晶化現(xiàn)象；當材料被熔化并重新沉積時，寬峰消失，光譜以尖峰為主，說明此時加工表面已完全晶化。

圖6 XRD下的BMG表面衍射圖Fig.6 Diffraction Patterns of BMG Surface Examined by XRD

通過XRD能夠進一步證明，在銑削過程中，加工過程中應力和溫度的升高是導致BMG發(fā)生晶態(tài)轉變的主要原因。

然后根據(jù)公式(2)廢氣量M和許可排放濃度c計算得出許可排放量E；根據(jù)公式(3)裝機容量CAP和年運行5000 h計算得出理論發(fā)電量D。最后根據(jù)許可排放量E和理論發(fā)電量D計算出理論排放績效GPS。300、750和1000 MW機組的SO2理論排放績效均為0.11 g/kWh，NOx理論排放績效均為0.16 g/kWh；300 MW以上機組煙塵理論排放績效均為0.016 g/kWh，300 MW以下機組兩個階段的煙塵理論排放績效分別為0.032 g/kWh和0.016 g/kWh,詳見圖9和圖10。

3.2.1 非晶態(tài)主導狀態(tài)加工表面的微觀組織特征

為了進一步了解非晶態(tài)主導狀態(tài)下銑削條件對加工表面微觀結構的影響，采用雙體分布函數(shù)（PDF）對其進行分析。為了了解圖3中進給率對加工表面結晶沉淀物密度的影響程度，本次實驗基于Petkov（1989）開發(fā)的RAD程序進行計算，對原始BMG表面和在主軸轉速為60000rpm，進給率分別為0.5μm∕刃和1.0μm∕刃條件下的加工表面進行了PDF分析，生成了非晶態(tài)主導狀態(tài)的表面結構，如圖7所示。

圖7 鋯基BMG的PDF結果Fig.7 PDF Results of Zr?BMG

其中，X軸表示短程有序原子距離中心原子的距離，Y軸表示原子密度比ρ（r）∕ρ0，ρ（r）為距中心原子距離為r處的原子的密度函數(shù)，ρ0為平均密度。

非晶態(tài)或液態(tài)原子排列表現(xiàn)為短程有序長程無序，PDF結果應為第一峰尖銳，第二峰第三峰不具有平移對稱性；晶態(tài)原子排列長程有序，PDF結果應為周期性出現(xiàn)波峰。圖7中的第一個峰為中心原子到最近原子的平均距離，可以發(fā)現(xiàn)，隨著距離的增加，密度比的峰值在趨近于0的位置振蕩，且無周期性，表明當前為非晶態(tài)主導狀態(tài)。

原始BMG中，原子排列密度最高的位置距離中心原子的徑向距離為2.69?；當進給率為0.5μm∕刃時，距離縮短至2.17?；當進給率為1μm∕刃時，距離進一步縮短至1.98?。這表明，進給率的增加導致了BMG材料非晶態(tài)基體中出現(xiàn)了納米級沉淀，也可以說明隨著加工表面壓應力的增高，非晶態(tài)主導狀態(tài)加工表面的原子間距逐漸減小。

3.2.2 結晶狀態(tài)下加工表面的微觀組織特征

對主軸轉速為60000rpm，進給率為3μm∕刃條件下的BMG表面進行X射線衍射分析結果，如圖8所示。其中，加工碎屑結果，如圖8（a）所示。加工表面結果，如圖8（b）所示。

圖8 主軸轉速60000rpm，進給率3.0μm∕刃時，碎屑和加工表面的XRD及匹配相位Fig.8 XRD and Matched Phase of Chip and Machined Surface at the Spindle Speed of 60000rpm and Feedrate of 3.0μm∕Flute

將XRD圖形與XRD數(shù)據(jù)庫的標準材料進行對比發(fā)現(xiàn)，碎屑對應的結晶為ZrO2相位，加工表面對應的結晶為Zr6Ni4Ti2O0.6相位，這說明，加工過程中材料表面出現(xiàn)了氧化反應。對碎屑和加工表面的氧化情況進行EDS檢查，BMG表面的原始狀態(tài)、加工狀態(tài)以及碎屑的EDS光譜，如圖9所示。

圖9 BMG表面EDS光譜Fig.9 EDS Patterns of BMG Surface

從中可以發(fā)現(xiàn)，原始表面是無氧的，加工狀態(tài)表面含氧比重在14%以上，碎屑含氧比重達到了22%。以上數(shù)據(jù)說明，在銑削過程中，當材料表面發(fā)生熔化和沉積時，切屑和加工表面確實發(fā)生了氧化反應。

4 結論

采用掃描電鏡觀察了鋯基BMG在高速銑削過程中的光發(fā)射現(xiàn)象和表面微觀結構的變化情況，同時研究了BMG在銑削過程中的由非晶態(tài)向晶態(tài)轉變的過程，采用X射線衍射儀（XRD）分析了非晶態(tài)和結晶態(tài)下的材料表面微觀結構，最后通過EDS檢測，確定了銑削加工后材料成分的變化情況，得到如下結論：

（1）原始BMG 材料以非晶態(tài)結構為主，納米級沉淀分布均勻，銑削加工導致加工表面出現(xiàn)由非晶態(tài)向晶態(tài)轉變的現(xiàn)象，隨著材料表面出現(xiàn)熔化和動態(tài)沉淀，會出現(xiàn)連續(xù)光發(fā)射現(xiàn)象，切削碎屑在加工過程中出現(xiàn)氧化最終導致材料表面完全結晶；

（2）材料的熔化和再沉淀會在加工表面產(chǎn)生間隙，從而導致接觸區(qū)的負載發(fā)生變化，進而致使銑削力出現(xiàn)波動；

（3）PDF分析表明，隨著進給率的增加，原子排列的徑向距離逐漸減小，而隨著間歇性光發(fā)射現(xiàn)象的出現(xiàn)，徑向距離的減小情況更加明顯。