電場對WC-Co／Ti6Al4V摩擦磨損性能的影響

戚寶運 何 寧 李 亮 趙 威

南京航空航天大學，南京，210016

0 引言

金屬材料摩擦過程中伴生著電現象［1］，并產生電勢，這些自生電勢對金屬摩擦磨損會產生一定影響［2-4］。文獻［5］基于摩擦金屬間自生電勢的極性與大小對金屬摩擦磨損影響進行了研究，開發了一種用電壓控制金屬間摩擦磨損的新技術。

靜電冷卻技術［6］可以向切削區輸送經放電處理的空氣而形成強電場，利用帶電粒子的冷卻潤滑等作用提高切削加工性能。文獻［6-8］對該技術進行了試驗研究。韓榮第等［9］利用靜電冷卻技術切削鈦合金，試驗結果表明，相比干切和乳化液潤滑切削，在一定條件下靜電冷卻的刀具磨損量分別減少40%和20%。

鈦合金以其優異的性能而得到了廣泛應用，其摩擦磨損性能也受到更多的關注［10-12］。筆者將鈦合金切削加工中常用的硬質合金刀具與鈦合金作為摩擦副材料，在自行設計的高速摩擦磨損試驗輔助裝置上進行了刀具-工件材料副的摩擦磨損試驗，以揭示電場對 WC-Co／Ti6Al4V摩擦副的摩擦磨損特性的影響，并探討了外加電場主動控制摩擦的作用機理，為靜電冷卻技術在切削加工中的應用提供一定的試驗基礎。

1 試驗方案

1.1 摩擦磨損試驗裝置

試驗采用自制的摩擦磨損試驗裝置，如圖1所示，摩擦副接觸形式為銷-盤線接觸。整個裝置安裝在車床刀架上，銷與盤接觸后，摩擦副表面法的向載荷通過調節刀架軸向進給、改變彈簧伸縮量進行加載，通過提高機床主軸轉速或增大銷與盤試樣的摩擦半徑，實現高速摩擦。試驗中，盤試樣為工件材料，端面平整，表面質量較好。銷試樣為刀具材料，將現有的方形機夾刀片線切割成厚2mm的薄片，將刀片的倒圓棱角作為摩擦接觸頭。試驗時，保證盤試樣和銷試樣正交，通過三向測力儀測得摩擦過程中的作用力信號，通過計算機對采集到的信號進行相應的數學分析與處理即可得到法向力和摩擦力，摩擦力f＝Fz，加載力N＝Fy，利用庫倫定量便可獲得摩擦因數μ，μ＝f／N。

圖1 摩擦磨損試驗裝置原理圖

1.2 試驗條件

試驗在CA6140車床上進行，摩擦副中的工件材料為鈦合金Ti6Al4V，圓盤尺寸為φ150mm×10mm，刀片材料為 WC-Co硬質合金，尺寸為13mm×13mm×2mm，刀尖圓弧半徑為0.5mm，摩擦副材料的物理與機械性能如表1所示。采用Kistler 9265B動態測力儀測量摩擦力與法向載荷，與之配套的放大器為Kistler 5019電荷放大器。干式靜電冷卻裝置主要由供電單元、離子風嘴、高壓電纜、通有壓縮空氣的軟管組成。壓縮空氣經離子風嘴電離后形成含有一定濃度的臭氧、負氧離子的混合氣體，輸送到摩擦接觸區域。試驗中，向噴嘴輸送的壓縮空氣的壓力為0.4MPa，室溫為20℃，噴嘴與摩擦接觸表面的距離為15mm。試驗法向載荷為20N，滑動線速度分別為1m／s、2m／s、3m／s、4m／s、5m／s，每次試驗的摩擦時間為6min。

表1 摩擦副材料的物理和機械性能

1.3 試驗方法

摩擦磨損試驗分別在3種條件下進行：摩擦副電回路短路、摩擦副電回路開路（絕緣法）、在摩擦副回路開路的情況下施加靜電冷卻（電離空氣）。由于摩擦時間較長，為了減小測力時漂移的影響，采用分段采集摩擦力計算平均摩擦因數的方法來研究各種情況下的摩擦狀況。試驗后利用美國ADE公司生產的三維白光干涉表面形貌儀MicroXAM觀察Ti6Al4V摩擦表面形貌并測量表面粗糙度，利用JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察WC-Co磨損表面微觀特征，采用X射線能譜儀（EDS）檢測磨損表面的元素成分，分析WC-Co摩擦磨損機理。

試驗后，沿鈦合金圓盤的徑向等角度取3個位置，用表面形貌儀測量磨痕的深度h1、h2、h3，取平均值作為磨痕的深度h。圓盤的磨損體積：

式中，R1、R2分別為磨痕的外圓半徑和內圓半徑。

對WC-Co磨損表面進行腐蝕，結合光學顯微鏡利用自行開發的磨損測量軟件測量WC-Co表面磨損帶的寬度，從而計算出WC-Co材料磨損體積：

式中，L為刀片磨損帶寬度；d為刀片厚度；R為刀尖圓弧半徑。

由此可計算出摩擦副的體積磨損率：

式中，T為摩擦時間。

2 試驗結果及分析

2.1 摩擦因數

圖2反映了 WC-Co／Ti6Al4V摩擦副在熱電回路短路、開路及靜電冷卻條件下的摩擦因數。由圖2a可見，摩擦因數在初期有一定的波動，隨著滑動時間的延長，摩擦因數逐漸趨向平穩。3種摩擦條件下摩擦因數在不同滑動速度時穩定后的值如圖2b所示。隨著滑動速度的增大，3種摩擦環境下 WC-Co／Ti6Al4V摩擦副的摩擦因數均有增大的趨勢，這主要是由于鈦合金是黏塑性材料，隨著速度的提高，摩擦溫度升高，鈦合金塑性變形增強，鈦合金較強的韌性及刀具表面粘結物的增多，導致摩擦力增大。相同滑動速度時，摩擦副的摩擦因數在靜電冷卻條件下最小，斷開熱電回路同樣可以減小摩擦副的摩擦因數，靜電冷卻和開路條件下的摩擦因數相對于短路條件下的摩擦因數分別減小了20%、12%。斷開熱電回路阻止了接觸界面的電子流動及其相互作用，可以減小摩擦副的摩擦力；靜電冷卻條件下，空氣電離后產生的臭氧和氧離子在形成的強電場下被摩擦表面吸收并形成邊界薄膜，從而實現有效的潤滑減摩作用。

圖2 三種摩擦條件下的摩擦因數

2.2 磨損率

圖3 摩擦副的磨損率

圖3所示為3種摩擦環境下摩擦副的磨損率對比情況。由圖3可見，工件材料和刀具材料的磨損率相差兩個數量級。隨著滑動速度的提高，3種摩擦環境下Ti6Al4V與WC-Co的磨損率均有所增大。相比之下，短路條件下摩擦副的磨損率最大，這主要是由摩擦過程中閉合熱電回路產生的熱電流所造成的，摩擦副在摩擦表面溫度較高時形成熱電勢，通過機床構成閉合回路，在摩擦副的接觸表面就會有熱電流流過，從而加劇摩擦副磨損。開路和靜電冷卻條件下摩擦副的磨損率相對較小。在滑動速度為5m／s時，短路、開路與靜電冷卻環境下的WC-Co的磨損率分別為0.0320mm3／min、0.0237mm3／min 和 0.0110 mm3／min，相對短路條件下的磨損率，開路與靜電冷卻環境的磨損率分別降低了22%和64%。可見，斷開熱電回路可以有效地減小熱電流對摩擦副磨損的影響，靜電冷卻條件下空氣電離后產生的負氧離子消除了摩擦副的接觸電動勢，同時帶電粒子的冷卻和潤滑作用可以更加有效地降低摩擦副的磨損。

2.3 Ti6Al4V的磨損表面質量

圖4所示為鈦合金Ti6Al4V磨損后的三維表面形貌。由圖4可見，Ti6Al4V磨損表面出現明顯的磨痕，同時伴有部分犁溝。對比3種環境下的表面形貌可以發現，摩擦副熱電回路短路時的Ti6Al4V磨損表面最粗糙，開路和靜電冷卻條件下Ti6Al4V磨損后的表面較為平整。圖5反映了Ti6Al4V磨損后表面粗糙度隨滑動速度的變化曲線。隨滑動速度的增加，表面粗糙度逐漸減小。相比之下，靜電冷卻條件下的表面粗糙度最小，其次是斷路條件下的表面粗糙度。可見，通過斷開熱電回路可以有效減小熱電流對磨損表面質量的影響。此外，靜電冷卻條件下的鈦合金表面產生列賓捷爾效應，在吸收氣相粒子、形成表面化合物和表面充電等物理-化學過程作用下，表面性能下降、強度降低，同時摩擦過程中的帶電粒子具有良好的潤滑作用，可以更加有效地改善工件磨損表面質量。

圖4 Ti6Al4V的磨損表面形貌（開路，滑動速度為5m／s）

圖5 表面粗糙度Ra隨滑動速度的變化曲線

2.4 WC－Co的磨損機理

鈦合金為黏塑性材料，在摩擦過程中大量鈦合金粘結在硬質合金的接觸表面。低速時，硬質合金表面粘結不明顯。高速時，高溫使材料發生軟化，加劇表面塑性變形，刀具表面粘結現象較為嚴重，如圖6a所示，硬質合金表面基本上被鈦合金粘結物完全覆蓋。從圖6b也可以看到大量的層疊狀粘結物。相對于短路、開路條件，靜電冷卻條件下高速摩擦時的刀具表面粘結物較少，如圖6c所示。靜電冷卻環境下產生的帶電粒子的潤滑作用減小了摩擦副表面之間的摩擦，同時靜電冷卻作用降低了摩擦副之間的摩擦溫度，從而降低了鈦合金的黏著能力［6］。

圖6 WC－Co磨損表面形貌SEM照片（滑動速度為5m／s）

靜電冷卻條件下存在足夠高濃度的臭氧、氧氣、氧離子，在摩擦副之間與鈦合金反應形成一層薄氧化膜（氧化膜能起到保護摩擦副的作用），可以有效地防止摩擦接觸表面黏著磨損的發生，故靜電冷卻條件下摩擦副的磨損率較低，摩擦因數較小。從圖7中的EDS能譜分析中可以發現，WC-Co磨損表面含有質量分數為6.18%的氧元素。高速摩擦下形成的脆性氧化膜與刀具表面的結合強度較低，在機械應力和熱應力等綜合作用下產生微裂紋，如圖8所示，在摩擦剪切與沖擊作用下，很容易從硬質合金表面脫落，形成片狀磨屑。脫落的鈦合金粘結層還會從硬質合金表面帶走部分硬質合金顆粒，造成硬質合金表層強度的降低，產生粘結剝落磨損，加速硬質合金的磨損。因此，WC-Co在高速摩擦時主要是黏著磨損與氧化磨損。

圖7 靜電冷卻條件下WC－Co磨損表面EDS能譜圖

圖8 WC－Co磨損表面的微裂紋

3 結論

（1）斷開熱電回路可以減小熱電流對摩擦副摩擦磨損的影響。

（2）靜電冷卻條件下，帶電粒子具有較好的潤滑作用，可以有效地減小 WC-Co／Ti6Al4V的摩擦因數，強電場可以減小工件的內應力，提高工件磨損后的表面質量。

（3）相對于干摩擦，斷開熱電路及靜電冷卻均可以有效地降低摩擦副的磨損。

（4）靜電冷卻環境下的列賓捷爾效應降低了鈦合金的黏著能力，減小了WC-Co黏著磨損；WC-Co在高速滑動下主要以黏著磨損、氧化磨損為主，微裂紋的產生加劇了刀具材料的磨損。

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