Ti6Al4V/WC-Co干摩擦性能研究

2022-01-19高党寻李双寿

制造技术与机床 2022年1期

梁雄杜平高党寻李双寿

(①清华大学基础工业训练中心，北京 100084；②清华大学摩擦学国家重点实验室，北京 100084)

钛合金因具有较高的比强度、良好的高温性能以及优异的耐腐蚀性，被广泛应用于航空航天、医疗器械等领域[1-2]，其中Ti6Al4V为使用最多的一类α+β型钛合金[3]。针对钛合金的切削加工，常用的刀具材料是钨钴类硬质合金(WC-Co)[4-5]。然而，作为一种典型的难加工材料，钛合金的高切削温度、强化学活性等特点使得加工过程中经常遭遇严重的刀具磨损及切削刃的早期失效等问题，这不但影响了零部件的加工质量和效率，而且增加了成本[6]。虽然使用切削液进行润滑和冷却能够一定程度上缓解刀具的磨损问题，但出于对绿色制造的考量，采用干式切削将是着眼于制造过程可持续性和经济性的最佳解决方案[7-8]。

针对钛合金干切条件下刀具磨损过快的问题，研究者从刀具磨损机理、工艺参数优化等方面开展了相关研究。Kim D等人[9]研究了使用硬质合金钻头加工Ti6Al4V时的刀具磨损规律，实验发现刀具主要表现为后刀面磨损和微崩刃，磨损形式为黏着磨损和氧化磨损。Wang X等人[10]研究了涂层对刀具磨损的影响。实验结果表明，涂层对降低钛合金干切时刀具的磨损能够发挥有益作用，原因是涂层可以减少积屑瘤的形成，提高切削过程稳定性从而降低刀具发生崩刃的风险。Iliescu D等人[11]研究了Ti6Al4V钻削时切削速度和进给量对刀具磨损的影响，并根据实验结果提出了切削参数与刀具磨损量之间的回归模型，可用于一定条件下刀具磨损的监测。范依航等人[12]采用硬质合金刀具进行Ti6Al4V外圆车削加工试验，通过对刀具磨损区微观形貌表征及能谱分析，给出了刀具材料从基体脱落的物理演变过程模型，结果表明在切削过程中刀-屑接触面伴随着严重的黏结、扩散以及氧化现象，随着切削速度的提高，加速了这种现象的发生。

从以上结果来看，已有研究大多是在切削实验的基础上进行的，这种研究方法能够较好地反应工况条件下的刀具磨损特征，但由于不能进行实时观测，因而缺失了磨损过程信息，导致在揭示刀具磨损机理方面仍然存在很大的局限性。从本质上讲，磨损是由两个滑动接触面之间的相互作用引起的1个连续损伤过程，因此，摩擦副材料间的摩擦学行为对磨损过程起着决定性的作用，然而目前还少有此方面的研究。

本文针对钛合金干切时刀具磨损严重的问题，通过摩擦磨损实验来研究刀具材料(WC-Co)与工件材料(Ti6Al4V)在干摩擦条件下的摩擦学行为，探究不同因素对摩擦过程的影响，从而为揭示钛合金切削时的刀具磨损机理、控制刀具磨损提供参考。

1 实验方案设计

1.1 实验材料

本研究中摩擦磨损实验采用上试样为球、下试样为盘的球-盘接触形式。其中上试样为直径10 mm的YG8硬质合金球(其Co含量为8%，其余为WC)，下试样为Ti6Al4V(TC4)，两者的材料性能如表1～2所示。

表1 YG8硬质合金材料性能

表2 Ti6Al4V材料性能

实验前需将钛合金通过线切割成尺寸为13 mm×13 mm的矩形试样。为避免表面机械加工时形成的氧化膜和污染对实验结果的影响，还需进行抛光处理，即利用不同粒度的砂纸和抛光膏对其表面进行打磨抛光，之后分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗15 min，并用压缩空气吹干备用。

1.2 实验设备

Optimal SRV-Ⅳ型高温摩擦磨损试验机是一种广泛用于摩擦磨损试验的标准设备，如图1所示。实验前，上下试样通过专用夹具进行固定，其中下试样在整个实验过程中保持静止，而上试样在垂直悬臂的带动下作往复直线运动。通过设备配套的软件可以对实验外加法向载荷、摩擦运动行程和频率以及实验温度等参数进行设定。实验开始后，仪器会实时记录摩擦副之间的摩擦系数及摩擦行程等信息。

1.3 实验条件

摩擦磨损实验条件如表3所示，表中各参数均根据实际切削加工时的常规加工参数选取。

表3 摩擦磨损实验中的实验参数范围

2 结果与讨论

2.1 摩擦过程基本特点

图2为Ti6Al4V与WC-Co在干摩擦条件下，法向载荷为100 N、滑动速度为2.4 m/min时的摩擦系数曲线。可以看到，整个摩擦过程分为两个阶段：第一阶段摩擦系数大幅波动，属于跑合过程，之后摩擦系数的变化趋于平缓，但仍在一定范围内波动。同时，全程摩擦系数均高于0.5，且随着时间的增加，摩擦系数呈现整体上升趋势，直至实验结束。此外，实验过程中还可以听到剧烈的、不均匀的噪声。以上现象都说明钛合金与硬质合金之间的摩擦非常剧烈，并且在以上实验参数下不能维持稳定的摩擦状态。

从已有研究看，这种不稳定是由于钛合金强烈的黏附倾向和化学亲和性造成的。从图3中摩擦行程(往复摩擦实验中摩擦副之间单向最大相对运动距离)随时间的变化曲线可以看到，在整个滑动摩擦过程中，摩擦行程的波动非常大，而理想情况下摩擦行程应该始终保持恒定。以上实验现象说明在摩擦界面发生了显著的黏滑与摩擦跃动现象：起初，随着摩擦过程的进行，黏着结点随之增长，导致剪应力增大，真实接触面积也逐渐增大，摩擦界面之间保持黏着接触；当剪应力超过黏着强度时，黏着结点会发生断裂造成两表面迅速发生滑移，产生摩擦跃动；黏滑过程不断地重复发生，就会导致摩擦系数及滑动行程出现波动。

2.2 载荷的影响

不同载荷情况下Ti6Al4V/WC-Co的摩擦系数曲线如图4。由于钛合金自身摩擦性能差，黏着倾向显著，因此无论在低载还是高载下均有严重的黏滑摩擦现象，表现为摩擦系数曲线的大幅度波动，而随着载荷的增加，黏滑现象愈加剧烈。此外，从整体的摩擦系数值来看，随着载荷增加，摩擦系数呈波动上升，并且在高载荷下摩擦系数出现大于1的情况。由于实验平台是通过测量滑动方向的摩擦阻力来计算摩擦系数的，而Ti6Al4V/WC-Co之间存在较为严重的黏着现象，因此会导致仪器测量的摩擦力数值中包含了接触表面相对运动时克服黏着结点而产生的剪切力，从而使一定条件下的表观摩擦系数大于1。

2.3 温度的影响

由于钛合金变形系数小，在实际切削加工时切屑与前刀面的接触面积小造成刀尖应力集中而产生大量切削热，加之钛合金导热系数低，热量不能及时传导出去，造成切削区域温度急剧上升。钛合金切削加工时，切削区温度通常会高达600 ℃左右，因此必须考虑温度对摩擦过程造成的影响。

图5为不同温度条件下钛合金与硬质合金之间的摩擦系数曲线。室温下，经跑合过程后，摩擦系数曲线整体趋于平稳，但由于黏滑效应与摩擦跃动，摩擦系数仍然表现出一定范围内的波动；当实验温度升高至300 ℃时，摩擦系数值有一定的增加，但变化较小；温度进一步增加至500 ℃、700 ℃时，摩擦系数有较大幅度的增加。这是因为当温度超过500 ℃时钛合金的化学活性会突然增强，对硬质合金的黏附更加剧烈，摩擦界面上黏着结点的数量和面积都增加，使摩擦过程更加不稳定，因而导致摩擦系数的快速上升以及波动量的增大。由此可见，对于钛合金加工，控制接触区温度对于控制刀具磨损具有重要意义。

2.4 速度的影响

速度对Ti6Al4V/WC-Co之间摩擦系数的影响如图6所示。首先，摩擦系数随着速度的增加而明显增大，且波动也越来越剧烈。此外，可以看出即使在低速下，摩擦系数曲线波动依然很大，这说明钛合金自身的材料特性导致其摩擦品质非常差，无论是在低速还是高速下均不能维持稳定的摩擦过程。

2.5 磨损机理分析

图7显示了磨损区域表面的微观形貌。可以看出在钛合金表面存在大块的黏着点，而硬质合金球表面也可见大量的黏附物，这是黏着磨损的典型特征。EDS分析表明硬质合金球表面的黏着物含有Ti、Al、V等元素，这说明摩擦过程中钛合金通过物质转移粘附到了硬质合金表面。以上现象均说明在滑动摩擦过程中发生了严重的黏着磨损。此外观察到钛合金表面还存在很多较为规则排列的沟槽，这是由于硬质合金的硬度远大于钛合金，摩擦过程中表面粗糙峰嵌入较软的钛合金表面产生的犁沟作用造成的。

黏滑现象的产生与钛合金自身极差的摩擦学特性有直接关系：钛元素化学性质活泼，与硬质合金之间化学亲和性强，同时钛合金的弹性模量又不高，摩擦过程中易变形，因此容易发生黏着。另外钛元素在温度高于500 ℃时其化学活性大大增强，会与多数刀具材料发生强烈的亲和作用，并会与空气中的氧、氮和水蒸气等发生化学反应，形成硬而脆的表面膜，也会加剧材料的磨损。

由以上结果可以看出钛合金对硬质合金的黏附作用在不同载荷、温度和滑动速度情况下都非常明显，即使在较低的载荷和滑动速度下，摩擦系数的波动依然非常剧烈，因此在实际切削加工时，很难通过调整加工参数完全避免钛合金造成的黏着磨损。不仅如此，摩擦系数的大幅波动导致刀具不能稳定切削，这也是造成刀具出现早期失效的重要原因。同时切削温度也是影响钛合金切削中刀具磨损的关键因素。钛合金由于导热系数低、弹性变形大及刀屑接触面积小等原因，导致切削过程中切削热不容易及时传导出去而集中于切削刃附近，引起很高的切削温度。根据图5的实验结果，随着温度的升高，Ti6Al4V/WC-Co之间的摩擦系数逐渐增加，尤其是当温度超过500 ℃之后摩擦系数会有较大幅度的升高，此时刀具的磨损也会变得更加严重，因此对于钛合金切削，切削温度的控制对于减小刀具磨损至关重要。