表面處理和工具材質(zhì)對(duì)壓力加工金屬粘結(jié)的影響

荊文婧

（酒泉職業(yè)技術(shù)學(xué)院 甘肅 酒泉 735000）

0 引言

現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域中，存在多種金屬材料加工技術(shù)，壓力加工技術(shù)是其中較為常見的一種。該技術(shù)操作簡(jiǎn)單，加工速度快，所需成本較低，但很容易得到劣質(zhì)產(chǎn)品，因而采用該技術(shù)時(shí)，不論是設(shè)計(jì)單位還是加工單位，均對(duì)材料表面處理有很高的要求。以往很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，為了保證質(zhì)量符合要求，相關(guān)企業(yè)單位對(duì)壓力加工金屬表面處理展開了研究并取得了一些研究成果。這些研究成果在一定程度上為金屬制品的加工提供了幫助，然而這些研究成果通常以工具坯料表面為主，工具材質(zhì)方面的不是很多，導(dǎo)致現(xiàn)有成果的應(yīng)用價(jià)值有限。為此，想要進(jìn)一步提升金屬材料壓力加工質(zhì)量，必須要加強(qiáng)對(duì)表面處理及加工工具材質(zhì)的重視程度，了解兩者對(duì)金屬制品粘結(jié)的影響程度，并以此為基礎(chǔ)，制定出科學(xué)、合理的壓力加工方案。

1 工具與金屬間的摩擦與粘結(jié)

1.1 工具與粘結(jié)的影響因素

金屬壓力加工時(shí)，工具與材料粘結(jié)的控制至關(guān)重要，直接關(guān)系到整個(gè)金屬加工的質(zhì)量與效率。工具與材料粘結(jié)時(shí)，通常由下述幾個(gè)步驟構(gòu)成，分別為：（1）工具與材料緊密接觸后，兩者間將產(chǎn)生一定的擠壓力，在該力的推動(dòng)下，逐漸破壞材料表面的油膜，破壞材料原有的內(nèi)部密封結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部各種物質(zhì)逐漸流露出來，破壞了工具與材料間的潤(rùn)滑作用[1]。（2）在原材料的表面，通常存在一層保護(hù)膜，以防止材料表面出現(xiàn)腐蝕等問題。而在其與加工工具粘結(jié)時(shí)，與工具間的摩擦，會(huì)使這些保護(hù)膜破壞，使得內(nèi)部材質(zhì)裸露出來。（3）材料加工處理時(shí)，周邊環(huán)境溫度相對(duì)較高，且具有較高的壓力，使金屬表層出現(xiàn)一定的融化現(xiàn)象，融化區(qū)域與工具接觸并冷卻后，兩者則會(huì)粘結(jié)到一起。（4）在材料與工具粘結(jié)處，由于存在一定的剪切力，在該力的作用下，使金屬材料脫落。（5）由于材料與工具出現(xiàn)粘結(jié)的問題，不僅會(huì)影響金屬制品質(zhì)量，使其表面凹凸不平，或是材料規(guī)格不符合要求，還會(huì)導(dǎo)致工具出現(xiàn)一定損傷，影響工具的后續(xù)使用。

由上述分析可知，工具與金屬材料的粘結(jié)是一個(gè)復(fù)雜的問題，與多個(gè)條件因素有關(guān)。具體來說，可將其劃分成下述幾種：溫度條件，會(huì)影響金屬材料的理化特性，從而增加其與工具的粘結(jié)幾率。臨界膜較薄時(shí)，內(nèi)部材質(zhì)裸露的幾率更高一些。熱穩(wěn)定性不足，會(huì)加速對(duì)材料油膜與保護(hù)膜的破壞[2]。同時(shí)，工具材質(zhì)、工具與材料的接觸面積等因素，也會(huì)對(duì)工具與材料的粘結(jié)有影響。

1.2 工具與金屬材質(zhì)對(duì)粘結(jié)的影響

通過對(duì)工具材質(zhì)特性的分析，結(jié)合以往多年工作經(jīng)驗(yàn)，可確定金屬粘結(jié)影響的主要因素，具體如表1所示[3]。通過對(duì)表1觀察能夠發(fā)現(xiàn)，在相接觸的兩金屬間，存在的固溶度越高，則會(huì)產(chǎn)生越強(qiáng)的合金化性能，表示兩者親和力更高，相互融合的能力越好，使得兩者更容易粘結(jié)到一起。表1中，①表示對(duì)于Zn材料來說，在所有區(qū)間當(dāng)中，均未發(fā)現(xiàn)純度的影響。反之，在Cu材料當(dāng)中，純度則與金屬粘結(jié)情況存在緊密聯(lián)系。②表示在物理—化學(xué)層面而言，材料具有較大的表面能時(shí)，其所具備的粘結(jié)常數(shù)也越大，但在力學(xué)層面上，則與此正好相反，表面能越大，其硬度也將會(huì)越高，從而產(chǎn)生了較小的粘結(jié)常數(shù)。

表1 金屬粘結(jié)影響的主要因素

以Fe為加工材料，分析了其他多種金屬與其的粘結(jié)效果，可以得到如表2所示結(jié)果。通過對(duì)表2的觀察能夠發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同金屬材料來說，與Fe的粘結(jié)性存在較大差異，其中Al最高，而Au最低。由此表明，金屬材料加工時(shí)，應(yīng)針對(duì)加工材料的特點(diǎn)，選取最佳的工具材質(zhì)。

表2 不同金屬與Fe之間的粘結(jié)效果

1.3 接觸面上擴(kuò)散過程及其對(duì)粘結(jié)的影響

金屬加工處理時(shí)，在摩擦區(qū)域當(dāng)中，不論是溫度、壓力，還是材料表面的剪切力，均會(huì)出現(xiàn)梯度變化規(guī)律，這一特性的存在，可推動(dòng)原子完成擴(kuò)散、再結(jié)晶等活動(dòng)。而當(dāng)出現(xiàn)上述活動(dòng)后，一方面，會(huì)導(dǎo)致工具與材料出現(xiàn)較大變化，另一方面，當(dāng)原子更容易移動(dòng)出原有界面，提升兩者的互相擴(kuò)散性，使得工具與材料融合到一起，導(dǎo)致兩者粘結(jié)的更加緊密[4]。通過對(duì)摩擦片的研究可知，在具有較高固溶性的材料當(dāng)中，很容易出現(xiàn)相互擴(kuò)散的情況，且擴(kuò)散深度較大，最高可達(dá)幾十微米。這使得材料表面呈現(xiàn)出兩種金屬材質(zhì)混合的狀態(tài)。若材料的固溶性較低時(shí)，則很難出現(xiàn)上述情況。以鋁合金作為加工材料，利用多種鋼材制成的工具對(duì)其加工，進(jìn)而觀察兩者的擴(kuò)散磨損情況。通過觀察能夠發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于摩擦情況下，靜態(tài)接觸時(shí)的擴(kuò)散情況基本一致；將Al與Fe放到一起后，將溫度設(shè)定在超過150 ℃時(shí)，兩者才會(huì)出現(xiàn)明顯的互擴(kuò)散現(xiàn)象；現(xiàn)在不同鋼材當(dāng)中，Al的擴(kuò)散水平存在一定差異，其中擴(kuò)散深度越低，其摩擦常數(shù)越小，粘結(jié)性越低，且磨損量更少[5]。這是因?yàn)閮烧呓佑|后，會(huì)在鋼材表面形成一層金屬化合物，提升了材料的硬度。

通過試驗(yàn)的方式，選擇幾種材料作為研究對(duì)象，分析了通過鋼材工具對(duì)材料處理時(shí)，發(fā)生明顯粘結(jié)問題的溫度Ta與被處理材料熔點(diǎn)Tm間的關(guān)系。通過對(duì)比四組材料發(fā)現(xiàn)，Al-高速工具鋼的Ta/Tm最高，表明其粘結(jié)性最強(qiáng)。這是因?yàn)殡S著材料界面溫度的不斷提升，當(dāng)其超過再結(jié)晶溫度后，會(huì)提升原子的擴(kuò)散速度，使得材料間的粘結(jié)更加嚴(yán)重。而壓力加工時(shí)，通常要設(shè)定較高的溫度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于材料的再結(jié)晶溫度，因而出現(xiàn)的粘結(jié)問題更加嚴(yán)重。

2 工具材質(zhì)的選擇與表面處理

2.1 工具材質(zhì)分析

通過相關(guān)資料的查詢，能夠獲取幾種常見壓力加工工具材質(zhì)特性，具體如表3所示[6-7]。

表3 幾種常見壓力加工工具材質(zhì)特性

由上述表3分析可知：現(xiàn)代金屬加工領(lǐng)域，為了降低金屬粘結(jié)性，逐漸向著含碳量與高合金化的方向發(fā)展，通過C元素的增加，提升材料內(nèi)部的彌散性。該表中，銅的抗粘性最強(qiáng)，硬質(zhì)合金的最差，這是由于其中含有大量Cr元素導(dǎo)致的。此外還需要注意，在工具材質(zhì)選擇時(shí)，還應(yīng)注重材料強(qiáng)度、耐熱性等多個(gè)方面。因此，想要有效對(duì)工具與金屬粘結(jié)問題進(jìn)行控制，必須要科學(xué)地對(duì)表面予以處理。

2.2 表面處理工藝

現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，存在多種表面處理工藝，每種工具原理、特點(diǎn)均存在一定差異，通過對(duì)這些工藝的應(yīng)用，使工具的表面，出現(xiàn)一層略有差異的物質(zhì)，如碳化物等，從而賦予工具其他更多特性，提升工具的硬度，增強(qiáng)其抗粘性與耐磨性。基于此，在實(shí)踐操作過程中，針對(duì)處理材料具體情況，應(yīng)選擇最佳的處理工藝。常見的處理方法有：熔鹽法、硼化法、電鍍法等[8]。以模具鋼SKD11作為研究對(duì)象，以Cu、鋼、Al作為配對(duì)材料，通過試驗(yàn)的方式，分析各種處理工藝的實(shí)踐應(yīng)用效果。具體如表4～表6所示。

表4 鋼與SKD11配對(duì)時(shí)不同工藝的應(yīng)用效果

表5 Cu與SKD11配對(duì)時(shí)不同工藝的應(yīng)用效果

表6 Al與SKD11配對(duì)時(shí)不同工藝的應(yīng)用效果

2.3 工具表層組織對(duì)金屬粘結(jié)的影響

由上述分析，結(jié)合相關(guān)資料的整理后，能夠得到下述結(jié)論：

（1）對(duì)金屬材料處理時(shí)，若出現(xiàn)固溶體的難度較大，則金屬粘結(jié)性較低，且不易被磨損。為了確保模具不會(huì)出現(xiàn)粘結(jié)的問題，應(yīng)選擇固溶性相對(duì)較低，且強(qiáng)度較高的表面處理工藝對(duì)工具表面進(jìn)行處理。

（2）工具的表層內(nèi)，可能形成各種碳化物，其與大部分金屬不會(huì)發(fā)生反應(yīng)，因而能夠阻隔工具與加工金屬，防止兩者出現(xiàn)粘結(jié)問題，并降低材料磨損量。碳化層越厚，磨損量越低。

（3）對(duì)于碳化物來說，組成成分、面積、分布情況等存在差異，均會(huì)對(duì)工具與金屬的粘結(jié)情況產(chǎn)生一定影響。

通過對(duì)上表4～表6觀察能夠發(fā)現(xiàn)，通過NbC復(fù)層、VC復(fù)層以及CrC復(fù)層處理后，出現(xiàn)的粘結(jié)量最低。

2.4 工具材質(zhì)對(duì)成品質(zhì)量的影響

工具材質(zhì)的不同，尤其是表層組織成分，將會(huì)對(duì)工具、材料的粘結(jié)情況具有緊密聯(lián)系。若金屬與工具粘結(jié)，則會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品表面出現(xiàn)傷痕；將粘結(jié)物粘回后，則會(huì)出現(xiàn)明顯粘疤；若粘結(jié)問題非常嚴(yán)重，將會(huì)影響部分加工工序的開展[9-10]。以6063鋁合金作為研究對(duì)象，選擇不同材質(zhì)的工具進(jìn)行處理后，對(duì)產(chǎn)品表面進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而得到如表7所示結(jié)果。通過該表的數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，選擇不同材質(zhì)的工具，所得產(chǎn)品表面光滑性也略有差異。其中，N化處理效果最佳，不論是拋光研磨，還是垂直磨削均低于其他處理方法。同時(shí)，在拋光研磨方面，所有材質(zhì)工具均在0.1以內(nèi)。

表7 工具材質(zhì)對(duì)成品質(zhì)量的影響分析結(jié)果

2.5 控制工具與金屬粘結(jié)策略

通過對(duì)上述分析可知，金屬材料壓力加工時(shí)，必須要針對(duì)加工材料特性，結(jié)合加工工藝流程，選擇由不同材質(zhì)制作而成的加工工藝，并采用最佳的處理方法。如制作穿孔軋制鈦管過程中，想要避免出現(xiàn)扎卡的問題，提升管內(nèi)表面的平滑度，可通過3Cr2W8V鋼為新材料，替換傳統(tǒng)的材料；擠壓銅鋁時(shí)，可采用離子氧化工藝，以賦予整個(gè)工具更強(qiáng)的抗粘結(jié)性，提升工具的使用時(shí)間。

目前，工具材質(zhì)性能的影響因素有很多，且金屬材料類型眾多，每種材料具有不同的制作條件，因而在實(shí)際當(dāng)中，通常要在工具與材料間，添加適量的潤(rùn)滑劑，以降低兩者間的摩擦性，防止工具或產(chǎn)品出現(xiàn)粘結(jié)與磨痕。現(xiàn)代工業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中，已經(jīng)對(duì)潤(rùn)滑劑進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較為良好的效果，大大降低產(chǎn)品出現(xiàn)粘結(jié)問題的幾率。由此表明，潤(rùn)滑劑可有效防止金屬材料與模具的粘結(jié)。同時(shí)，工具熱疲勞的情況，也直接關(guān)系到兩者的粘結(jié)。如工具存在損傷，表面出現(xiàn)裂紋，則會(huì)使被加工材料的表面出現(xiàn)一定的劃痕，從而提升粘結(jié)的嚴(yán)重性，降低產(chǎn)品質(zhì)量。此外，設(shè)定合理的工藝參數(shù)，如調(diào)節(jié)加工溫度、改變變形量等，也能達(dá)到控制粘結(jié)，增強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量的目的。

3 總結(jié)

綜上所述，金屬材料加工過程中，工具材質(zhì)與處理方法至關(guān)重要，只有根據(jù)被加工材料的特性，結(jié)合材料加工工藝方案，選擇最佳的工具材質(zhì)，采用科學(xué)、合理的處理方法，才會(huì)更好地對(duì)金屬材料進(jìn)行處理，防止其與工具出現(xiàn)粘結(jié)問題，加強(qiáng)對(duì)工具與產(chǎn)品的保護(hù)，從而提升產(chǎn)品質(zhì)量。