退火和深冷處理對7075鋁合金滾磨光整加工性能的影響*

楊林滋,李永剛,c,何 瓊,朱艷強(qiáng)

(太原理工大學(xué) a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院;b.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;c.山西省金屬材料腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心,太原 030024)

0 引言

7075鋁合金質(zhì)量輕,強(qiáng)度高,韌性好以及耐腐蝕等優(yōu)秀性能,被廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械設(shè)備和輕量化模具加工等領(lǐng)域[1-3]。隨著我國精密行業(yè)的不斷發(fā)展,對鋁合金材料的性能提出了更高的要求[4]。不同的零部件對合金的表面質(zhì)量和性能要求不同,T6態(tài)7075鋁合金的強(qiáng)度高,被廣泛用于汽車、航空以及電子產(chǎn)品等配件中,7075-TO態(tài)鋁板可用于折彎,沖壓加工等加工領(lǐng)域,7075-T652鋁板具有更為致密的材質(zhì),更高的硬度和強(qiáng)度,加工不變形等特點(diǎn),多數(shù)用于制作各種模具或者大型配件,還有T73和T76態(tài)7075鋁合金具有良好的耐腐蝕性,T74態(tài)具有優(yōu)良的綜合性能,這些都被廣泛應(yīng)用于航空產(chǎn)品的配件。因此,不同熱處理狀態(tài)的7075鋁合金具有截然不同的性能,勢必造成它們的機(jī)械加工性能也不同。

滾磨光整加工通過滾拋磨塊、研磨劑和水的混合加工介質(zhì)在重力和離心力等的作用下對試樣表面進(jìn)行碰撞、滾壓和微量磨削等綜合作用,達(dá)到降低試件表面粗糙度,提高試件表面質(zhì)量的目的[5]。高志森、石慧婷等[6-9]使用不同磨液和不同滾拋磨塊對鋁合金進(jìn)行加工,結(jié)果表明,對于初始粗糙度不同的試件,可以選用不同磨液提高其加工效率,選用強(qiáng)度適中的白陶瓷磨塊加工效果最好。WIERSZYLLOWSKI、ZHANG等[10-13]對不同型號(hào)的鋁合金進(jìn)行熱處理和深冷處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過特殊的熱處理和深冷處理,會(huì)使固溶體中缺陷的數(shù)量減少,抑制溶解和沉淀的過程,細(xì)化晶粒,從而提高鋁合金的機(jī)械性能、力學(xué)性能等。雷達(dá)、王瑤等[14-16]將鈦合金進(jìn)行不同時(shí)間的深冷處理,發(fā)現(xiàn)經(jīng)過深冷處理后的鈦合金材料去除率和滾磨光整加工效率都有提高。本文以原始態(tài),退火態(tài)和深冷態(tài)試樣作為研究對象,對比不同熱處理狀態(tài)的7075鋁合金經(jīng)過加工后表面顯微硬度、粗糙度、材料去除率以及摩擦系數(shù)等性能的差異,并對加工后鋁合金的表面質(zhì)量與材料性能進(jìn)行分析,為進(jìn)一步研究冷熱處理和滾磨光整加工協(xié)同改善7075鋁合金表面性能提供一定的基礎(chǔ)理論支持。

1 試驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)選用的實(shí)驗(yàn)材料為7075鋁合金,試件尺寸為20×20×5 mm,化學(xué)成分如表1所示。實(shí)驗(yàn)前,將工件表面粗糙度Ra打磨至(1.020±0.020) μm,將試樣分為A原始態(tài)、B退火態(tài)、C深冷態(tài)3組,如表2所示工藝進(jìn)行熱處理。其中C組又分為11小組分別進(jìn)行1、3、5、7、9、11、15、25、30、35、45 h的深冷處理。試件處理結(jié)束后用無水乙醇沖洗,之后用超聲清洗設(shè)備去除表面污染物,最后烘干備用。

表1 7075鋁合金的化學(xué)成分 (%)

表2 7075鋁合金試樣處理方案

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

使用CHY-1700真空管式加熱爐進(jìn)行退火處理,溫到入爐,將原始態(tài)7075鋁合金在350 ℃下退火1 h后爐冷至室溫,得到退火態(tài)的7075鋁合金。使用YDS型雙層保溫生物液氮罐將退火態(tài)的7075鋁合金直接浸泡在-196 ℃的液氮中,進(jìn)行不同時(shí)間的深冷處理。使用HVT-1000顯微維氏硬度計(jì)測量原始態(tài)、退火態(tài)以及經(jīng)過不同時(shí)間深冷處理狀態(tài)下的7075鋁合金的硬度,并對其硬度的變化進(jìn)行分析,選擇硬度差別明顯時(shí)所對應(yīng)的處理狀態(tài)下的7075鋁合金進(jìn)行滾磨光整加工實(shí)驗(yàn)。

滾磨光整加工實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為BJL-LL05立式離心式滾磨光整機(jī),加工前,滾筒內(nèi)裝入試件以及適量的滾拋磨塊、磨液和去離子水,加工過程中,試件和滾拋模塊之間相互作用,發(fā)生碰撞、滾壓、磨削等作用,從而達(dá)到表面光整的目的[5]。實(shí)驗(yàn)過程使用直徑為2 mm的高鋁瓷磨塊和HA-FC磨液,磨塊裝入量約為60%,再加入去離子水和磨液到70%,在300 r/min的轉(zhuǎn)速下對7075鋁合金進(jìn)行不同時(shí)間的滾磨光整加工,并記錄加工過程中的表面粗糙度Ra和材料去除率(MRR)。使用M2型粗糙度測試儀對每個(gè)試件進(jìn)行7次測量,去掉最大最小值后取平均值作為表面粗糙度Ra,同時(shí)利用失重法計(jì)算試件的材料去除率(MRR):

(1)

式中:m1和m2分別為試件加工前后的質(zhì)量,t為滾磨光整加工時(shí)間,ρ為試件密度[15]。

摩擦磨損實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備為HSR-2M往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī),實(shí)驗(yàn)過程采用濕式條件,載荷為5 N,行程為5 mm,實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10 min,對磨材料為直徑2 mm的高鋁瓷磨塊。使用TESCAN VEGA3型掃描電子顯微鏡(SEM)和超景深光學(xué)顯微鏡表征試件的表面形貌。使用OXFORD能譜儀(EDS)分析試件磨痕表面的元素含量。

2 結(jié)果及分析

2.1 硬度分析

原始態(tài)7075鋁合金的顯微硬度值為206.2 HV,退火態(tài)7075鋁合金的顯微硬度值為74.65 HV。經(jīng)不同深冷時(shí)間處理后的7075鋁合金的顯微硬度值的變化趨勢如圖1所示。由圖1可知,退火態(tài)的7075鋁合金經(jīng)過不同時(shí)間的深冷處理后,其顯微硬度值總體呈先下降趨勢。在深冷處理9 h時(shí)其硬度達(dá)到最低值49.08 HV,比退火態(tài)降低了34.3%,在前45 h其硬度值基本保持在50 HV左右。這是由于退火后晶?？焖匍L大,發(fā)生完全再結(jié)晶,組織大部分為粗大晶粒,導(dǎo)致硬度變低[17-18]。

圖1 不同深冷時(shí)間對7075鋁合金顯微硬度的影響

2.2 滾磨光整加工結(jié)果分析

2.2.1 表面粗糙度Ra分析

不同熱處理狀態(tài)下7075鋁合金加工過程中的表面粗糙度Ra和表面粗糙度下降率ΔRa的變化情況如圖2所示,其中ΔRa計(jì)算公式為:

圖2 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金滾磨光整加工過程中的表面粗糙度Ra和表面粗糙度下降率ΔRa的變化情況

(2)

式中:Ra1、Ra2分別表示滾磨光整加工前后的表面粗糙度值,單位均為μm。

從圖2中可以看出不同熱處理狀態(tài)下的7075鋁合金在50 min的滾磨光整加工過程中表面粗糙度Ra整體呈下降趨勢,在前10 min粗糙度的下降趨勢相對較快,10 min之后粗糙度的下降趨勢減緩。原始態(tài)的7075鋁合金經(jīng)過50 min的滾磨光整加工后Ra下降至0.295 μm,ΔRa達(dá)到70%左右,且加工15 min時(shí)ΔRa才達(dá)到50%。而經(jīng)過退火態(tài)和深冷態(tài)試件ΔRa相對原始態(tài)試件更高,在加工3 min時(shí)ΔRa就基本達(dá)到50%,在加工15 min時(shí)ΔRa已經(jīng)達(dá)到了原始態(tài)試件加工50 min時(shí)的ΔRa。其中退火態(tài)試件加工50 min后Ra下降至0.147 μm,ΔRa達(dá)到80%左右,深冷態(tài)試件加工50 min后Ra下降至0.106 μm,ΔRa達(dá)到將近90%。這說明7075鋁合金經(jīng)過一定熱處理后其滾磨光整加工效率顯著提高,也說明了硬度的下降對7075鋁合金的滾磨光整加工效果有積極影響。

2.2.2 材料去除率MRR分析

不同熱處理狀態(tài)下7075鋁合金滾磨光整加工過程中的材料去除率如圖3所示。

圖3 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金滾磨光整加工過程中的材料去除率的變化圖

從圖3中可以看出隨著滾磨光整加工時(shí)間的增加,試樣的材料去除率整體呈下降趨勢,且在前5 min材料去除率較大,這是因?yàn)樵诩庸こ跗?工件的凸峰在力的作用下被快速刮除,使試件的材料去除率處較高水平,隨著加工時(shí)間的增加,工件表面的凸峰基本消失,磨塊與工件表面的接觸面積變大,單位面積上的切削力減小,材料表面去除率慢慢趨于穩(wěn)定[5]。在圖3中還可以看出,經(jīng)過熱處理的7075鋁合金材料去除率較原始態(tài)更高,在前10 min,退火態(tài)和深冷態(tài)試件的材料去除率為0.107 mm3·min-1,是原始態(tài)試件材料去除率的150%。經(jīng)過50 min的滾磨光整加工后,退火態(tài)和深冷態(tài)試件的材料去除率分別為0.057 mm3·min-1和0.064 mm3·min-1,分別是原始態(tài)材料去除率的132%和148%。這是因?yàn)?075鋁合金經(jīng)過退火處理,其硬度顯著下降,這就使得工件表面上的毛刺、尖角和凸峰更容易去除,從而使其材料去除率明顯大于原始狀態(tài)?？傮w而言,在滾磨光整加工過程中,深冷態(tài)7075鋁合金的材料去除率始終高于原始態(tài)和退火態(tài)。

2.2.3 表面形貌和表面光亮度分析

不同熱處理狀態(tài)下7075鋁合金加工前后的表面形貌如圖4所示,試件加工后的表面光亮度情況如圖5所示。圖4a～圖4c為試件加工前的表面形貌圖,圖4d～圖4i分別為試件加工后的表面形貌和三維形貌圖,經(jīng)過對比可知原始態(tài)、退火態(tài)和深冷態(tài)試件的表面形貌較加工前都得到一定程度的改善,其中原始態(tài)試件加工后表面還存在大量明顯劃痕和溝壑,退火態(tài)試件也存在少量劃痕,而深冷態(tài)試件經(jīng)滾磨光整加工后其表面紋理基本去除,無明顯缺陷,表面更加均勻,一致性高。從圖5可以觀察到,原始態(tài)試件表面映射的字母清晰度低,試件表面呈灰色,退火態(tài)試件表面映射字母清晰度較原始態(tài)有明顯改善,但試件表面呈淺灰色,而深冷態(tài)試件表面映射的字母清晰度最高,且試件表面發(fā)亮,呈現(xiàn)較好的鏡像效果。綜合而言,硬度較低的退火態(tài)和深冷態(tài)試件的加工效果明顯比原始態(tài)試件好,深冷態(tài)試件表面劃痕基本去除,表面均勻一致性高,表面形貌改善效果最好,且映射字母清晰明亮,表面光亮度最高。

(a) 原始態(tài)滾磨光整加工前 (b) 退火態(tài)滾磨光整加工前

(c) 深冷態(tài)滾磨光整加工前 (d) 原始態(tài)滾磨光整加工后

(e) 退火態(tài)滾磨光整加工后 (f) 深冷態(tài)滾磨光整加工后

(g) 原始態(tài)滾磨光整加工后三維形貌 (h) 退火態(tài)滾磨光整加工后三維形貌

(i) 深冷態(tài)滾磨光整加工后三維形貌圖4 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金滾磨光整加工前后的形貌變化圖

(a) 原始態(tài) (b) 退火態(tài)

(c) 深冷態(tài)圖5 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金加工后表面光亮度情況圖

2.3 摩擦磨損分析

2.3.1 摩擦系數(shù)

不同熱處理狀態(tài)下7075鋁合金摩擦磨損系數(shù)隨時(shí)間的變化情況如圖6所示,其平均摩擦系數(shù)如圖7所示。由圖6和圖7可知,經(jīng)過熱處理后,7075鋁合金的摩擦系數(shù)與原始態(tài)相比有提高,退火態(tài)和深冷態(tài)的平均摩擦系數(shù)分別為0.801和0.527,而原始態(tài)平均摩擦系數(shù)只有0.275,較退火態(tài)和深冷態(tài)試件更低。這是因?yàn)闊崽幚砗?075鋁合金的硬度有較大下降,摩擦系數(shù)會(huì)隨著硬度的降低而增加[19]。原始態(tài)試件摩擦系數(shù)在0.161～0.530之間浮動(dòng),在實(shí)驗(yàn)開始的前4 min,摩擦系數(shù)先激增至0.530然后逐步下降至0.260,摩擦系數(shù)下降率高,說明基體正處于劇烈的磨損階段,在4 min后,摩擦系數(shù)的變化范圍在0.161～0.321之間,變化趨勢走向平穩(wěn),此時(shí)基體磨損進(jìn)入穩(wěn)定階段。退火態(tài)試件摩擦系數(shù)最高,在0.632～1.192之間浮動(dòng),變化范圍大,且在實(shí)驗(yàn)過程中一直呈現(xiàn)緩慢上升的趨勢,這說明在摩擦磨損過程中,基體一直處于劇烈磨損階段。深冷態(tài)試件摩擦系數(shù)在0.414～0.682之間浮動(dòng),摩擦系數(shù)幅值躍變較原始態(tài)和退火態(tài)都更低,磨損過程呈現(xiàn)較穩(wěn)定的狀態(tài)。

圖6 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金摩擦系數(shù)變化圖 圖7 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金平均摩擦系數(shù)圖

2.3.2 磨痕形貌

不同熱處理狀態(tài)下7075鋁合金磨痕形貌和表面元素成分分析如圖8所示。從圖8a～圖8c為試件的對磨磨痕,可以看出磨痕表面均存在平行于磨損方向的微切削痕跡,這是典型的磨粒磨損。圖8a為原始態(tài)7075鋁合金對磨磨痕,可以看出磨損表面有較多大小不一的白色斑點(diǎn)和部分黑色溝壑,通過測試點(diǎn)1的EDS分析可知,基體脫落下的磨屑一部分被磨液沖洗帶出磨損區(qū)域,還有一部分未得到及時(shí)沖洗在反復(fù)磨損下粘附在磨痕表面形成了白色斑點(diǎn)。原始態(tài)試件由于硬度相對較高,在相同載荷下磨痕寬度和深度較小,磨損率低。從圖8d原始態(tài)試件磨痕的三維形貌可以看出,試件磨痕處有較多凸起和凹坑以及明顯的犁溝,試件表面不均勻,一致性差。

(a) 原始態(tài)對磨磨痕 (b) 退火態(tài)對磨磨痕

(c) 深冷態(tài)對磨磨痕 (d) 原始態(tài)磨痕三維形貌

(e) 退火態(tài)磨痕三維形貌 (f) 深冷態(tài)磨痕三維形貌

(g) 測點(diǎn)1 (h) 測點(diǎn)2

(i) 測點(diǎn)3圖8 不同熱處理狀態(tài)7075鋁合金磨痕形貌和表面元素

圖8b為退火態(tài)7075鋁合金對磨磨痕,可以看出磨痕表面存在大片黑色區(qū)域和片狀的剝落,通過測試點(diǎn)2的EDS分析可知,試件磨損表面O元素較原始態(tài)增加,說明在實(shí)驗(yàn)過程中,退火態(tài)試件表面有氧化物薄膜形成并脫落,是典型的氧化磨損。在磨損過程中未能及時(shí)被磨液清洗的脫落磨屑在磨痕表面反復(fù)被擠壓并重新剝離磨痕表面,形成了大片連續(xù)的層狀剝落,是典型的粘著磨損和剝層磨損。退火態(tài)試件硬度遠(yuǎn)低于原始態(tài)試件,在相同載荷下磨痕寬度和深度都遠(yuǎn)大于原始態(tài)試件磨痕,磨損率高。從圖8e退火態(tài)試件磨痕的三維形貌可以看出,試件磨痕表面呈順滑的弧形,磨痕較原始態(tài)試件更均勻且一致性高。

圖8c為深冷態(tài)7075鋁合金對磨磨痕,可以看出深冷態(tài)試件磨痕與退火態(tài)試件相似,不過磨痕表面黑色區(qū)域和片狀的剝落少于退火態(tài)試件。通過測試點(diǎn)3的EDS分析可知,試件磨損表面O元素略少于退火態(tài),試件經(jīng)過深冷處理后,氧化速度變慢。粘著磨損和剝層磨損也較原始態(tài)變輕微。深冷態(tài)試件在相同載荷下磨痕寬度和深度都遠(yuǎn)大于原始態(tài)試件磨痕,但略小于退火態(tài)試件,這是因?yàn)槠淠Σ料禂?shù)小于退火態(tài)試件且摩擦系數(shù)較退火態(tài)更加平穩(wěn)。從圖8f深冷態(tài)試件磨痕的三維形貌可以看出,試件磨痕表面與退火態(tài)相差較小,呈順滑的弧形,表面均勻一致性高。

綜合看來,原始態(tài)試件主要為磨粒磨損,而深冷態(tài)試件磨損機(jī)制與退火態(tài)相似,主要為粘著磨損。原始態(tài)試件摩擦系數(shù)、磨痕寬度和深度低,磨損率低,在滾磨光整加工中表現(xiàn)為材料去除率低,且磨損后磨痕表面不均勻,故在相同的加工參數(shù)下,原始態(tài)試件表面劃痕難以去除,造成其加工后拋光質(zhì)量差,表面發(fā)灰,鏡面效果差。而退火態(tài)和深冷態(tài)試件的磨損機(jī)制相似,其加工效果差別不大。深冷態(tài)試件摩擦系數(shù)小于退火態(tài)且變化更加平穩(wěn),故而滾磨光整加工效果略好于退火態(tài)試件。在相同的加工參數(shù)下,深冷態(tài)試件表面粗糙度下降率最高,加工后表面無明顯缺陷且表面光亮度更好,呈現(xiàn)了好的滾磨光整加工效果。

3 結(jié)論

本文基于不同熱處理狀態(tài)下的7075鋁合金進(jìn)行滾磨光整加工和摩擦磨損實(shí)驗(yàn),探究不同熱處理狀態(tài)下的7075鋁合金滾磨光整加工效果及摩擦磨損行為,得出以下結(jié)論:

(1)原始態(tài)7075鋁合金經(jīng)過退火處理,硬度從206.2 HV下降至74.65 HV。退火態(tài)試件經(jīng)過深冷處理后硬度整體呈下降趨勢。

(2)深冷態(tài)試件表面粗糙度下降率和材料去除率最大,且加工后表面紋理基本去除,無明顯缺陷,表面更加均勻,表面光亮度更好。深冷態(tài)的7075鋁合金表面改善效果最顯著,滾磨光整加工效果最好。

(3)深冷態(tài)試件的平均摩擦系數(shù)大于原始態(tài)試件,但摩擦系數(shù)的變化較原始態(tài)更加平穩(wěn),且磨損后表面更加均勻,因此深冷態(tài)試件滾磨光整加工后的表面粗糙度更低,表面光亮度更高。