潤滑劑濃度對鈦合金Ti-6.5Al-4V-0.15B絲材拉拔表面質量的影響研究

趙 祺,楊懷萬

(四川西冶新材料股份有限公司,四川 成都 611730)

金屬拉拔是通過模具孔減少加工材料的截面面積、獲得高精度、高光澤度線材的一種塑性加工工藝,是制備線材的重要方法。通常拉拔加工所消耗的能量,大部分都消耗在模具和拉拔材料的摩擦上,造成界面溫度升高,容易發生潤滑膜破裂甚至燒結。在此加工過程中,良好的潤滑狀態能減少拉拔時摩擦所產生的熱量,有助于延長模具壽命,提高拉拔速度以及改善拉拔材料的表面質量和機械性能,尤其是可確保拉絲過程中不斷線。潤滑介質是影響鈦合金絲材質量的重要因素之一[1,2]。

于振濤等[3]采用化學方法研制出一種新的冷拔用潤滑劑涂層,該涂層與石墨乳和二硫化鉬混合配套使用可大大減小拉伸摩擦阻力,提高鈦材表面質量。馮晶等[4]公開了一張鈦合金絲材高溫拉拔干式潤滑劑,得到的涂層致密,分布均勻,無明顯大團聚集。馮晶等[4]一種鈦合金絲材高溫拉拔油基潤滑劑,通過加入偶聯劑和阻燃劑,可以保證固體潤滑劑未能與基礎油有效結合,鈦合金絲材高溫熱拉拔過程中潤滑膜不會脫落,可以保證在鈦合金表面形成連續的潤滑膜。閆曉東等[5]公開了一種鈦及鈦合金管材拉拔潤滑劑,在鈦及鈦合金坯料表面形成潤滑涂層,有效改善管坯與拉拔模具之間的潤滑條件,防止坯料與模具粘結,提高模具使用壽命和管材表面質量,模具壽命長。國外RABINOWICZ報導了各種潤滑劑對鈦的效果,認為一般的潤滑劑幾乎沒有效果,而只有鹵化的碳氫化合物才有效,這是由于鹵素侵入到鈦表面的氧化層內形成化學結合[6]。

潤滑介質是影響鈦合金絲材質量的重要因素之一,近年來對于鈦合金各類拉拔潤滑劑的研制較多,然而對于潤滑劑濃度對拉拔鈦合金絲材表面質量的影響研究不足。因此,本研究將針對研制的Ti-6.5Al-4V-0.15B絲材,深入研究潤滑劑濃度對其拉拔中表面形貌的影響及絲材在潤滑劑作用下的表面形貌演變。

1 試驗過程

試驗材料為本研究研制的Ti-6.5Al-4V-0.15B絲材,其化學成分(質量分數,%)為,C≤0.9,O≤0.18,N≤0.05,H≤0.012,Fe≤0.20,Al 5.5～7.0,V 3.5～4.5,B 0.1～0.2,Ti余量。 潤滑劑選用水系潤滑劑,由主要由石墨、增稠劑(羥甲基纖維素)、極壓劑(三氯化鐵)、鈦酸脂類偶聯劑、硅烷化合物、酒精和去離子等組成。拉拔設備采用鈦合金絲材專用拉絲機[7],表面形貌及成分采用掃描電鏡及能譜檢測。

首先進行Ti-6.5Al-4V-0.15B絲材多個道次拉拔試制,研究分析第一、三道次絲材的摩擦磨損行為;然后,設計三種潤滑劑濃度(25%、40%、55%),在設定拉拔參數下對三種線徑(第3、6、9道次)絲材分別進行拉拔,觀察拉拔后焊絲表面形貌(焊絲表面潤滑劑粘附狀態、絲材表面狀況、表面附著物情況等);通過綜合分析確定潤滑劑濃度,在此基礎上,絲材進行連續拉拔,分析研究拉拔各典型道次潤滑劑作用下的表面形貌演變。

2 試驗結果與分析

2.1 絲材拉拔摩擦磨損行為分析

進行Ti-6.5Al-4V-0.15B絲材多個道次拉拔試制,對拉拔后得到絲材表面進行掃描電鏡及能譜分析,絲材表面微觀形貌如圖1所示,表面各層成分結果見表1、表2。由圖1及表1、表2可知,絲材表面呈現三層結構,即基體、氧化層、涂層;對于第三道次,涂層除分布在氧化層之上外,還填充在氧化層塊狀間隙。

表1 第一道次絲材表面能譜結果(質量分數,%)

表2 第三道次絲材表面能譜結果(質量分數,%)

(a)第一道次 (b) 第三道次 圖1 絲材表面微觀形貌

根據摩擦磨損的種類及原理[8,9]可知,摩擦磨損常見的有氧化磨損、特殊介質腐蝕磨損、氣蝕磨損、微動磨損、干滑動摩擦磨損等。絲材拉拔過程中摩擦生熱引起絲材表面形成一層致密氧化膜層,對磨損表面起保護作用能夠降低鈦合金絲材磨損。同時,表面氧化層比較脆,極易在多道次拉拔后出現裂紋甚至脫落。在拉拔磨損過程中,絲材表面經歷著發生氧化、形成氧化層、氧化層出現裂紋、氧化層分割成塊,在這期間還會伴隨著氧化層脫落以及脫落后再次形成氧化層,這是氧化磨損的典型特征。絲材氧化磨損的影響因素有絲材與模具的相對滑動速度(摩擦系數)、對絲材施加的載荷(拉拔應力)、摩擦過程中生成的氧化膜硬度、潤滑介質濃度以及摩擦表面間的潤滑狀態是否良好,這些因素是后續拉拔生產過程值得關注的。

2.2 潤滑劑濃度對拉拔過程表面質量影響

分別對兩個道次模具下使用三種潤滑劑濃度分別為25%、40%、55%進行拉拔試驗,對拉拔后絲材的表面形貌進行了100倍、500倍掃描電鏡分析,結果見表3。

表3 不同潤滑劑濃度拉拔后絲材表面形貌

從表3可知,三種道次絲材表面呈現出,當潤滑劑濃度過低(25%)時,潤滑劑附著量少,表現為表層深黑色涂層物質覆蓋區域小,第3道次時(編號3-1-1、3-2-1)尤為明顯;這對絲材與拉絲模之間起到的潤滑作用不明顯,會導致拉拔升溫高,絲材氧化層增厚,摩擦磨損量增加。當潤滑劑濃度過高(55%)時,潤滑劑附著量最多,表現為表層深黑色涂層覆蓋區域大,第3道次時(編號3-1-3、3-2-3)尤為明顯;進一步拉拔的道次,由于其線徑更細、氧化層更細小、間隙凹槽更深,高濃度潤滑劑時(編號6-1-3、6-2-3)絲材表面深黑色涂層區域增加不明顯,但仍然表現增加趨勢;同時,在第6道次的高濃度潤滑劑時(編號6-2-3)表面氧化層的裂縫(黑色溝槽)寬度更寬,這是由于當潤滑劑濃度過高時,潤滑劑粘稠度增大,流動速度會變緩慢,在拉拔速度相同的情況下,粘稠度增大不利于潤滑劑進入拉絲模,潤滑劑完全進入拉絲模時間長,部分接觸區潤滑膜的形成會比較晚,導致潤滑條件變差表面氧化層破碎開裂嚴重。潤滑劑濃度為40%時,潤滑條件良好,形成氧化層裂縫適中。

綜上所述,潤滑劑濃度過低會導致氧化層增厚、摩擦磨損量增加;潤滑劑濃度過高會導致附著的潤滑劑過多且形成過寬的氧化層裂縫會導致基體層的更大損傷,因此,確定潤滑劑濃度為40%。

2.3 典型道次表面形貌的演變研究

按照選用40%的潤滑劑濃度對絲材進行連續拉拔,拉拔歷經了19道次,本文截取了部分典型道次絲材表面進行了掃描電鏡分析,分析結果見表4。

表4 典型道次絲材表面形貌

從表4典型道次絲材表面形貌可知,絲材表面氧化層經歷了形成氧化層、氧化層產生橫向細裂紋、橫向裂紋間隙增大、平行氧化層變形直到破碎成小顆粒;絲材表面的涂層隨著表面氧化層的演變而由最開始的附著在氧化層表面逐漸到少量分布氧化層表面,大量填充裂縫間隙?？梢娏芽p的形成為固體潤滑劑的粘附提供了強有力的“釘扎中心”,確保了固體潤滑劑在多次拉伸過程中不易脫落,保持著連續拉拔的良好潤滑效果。

3 結論

(1)絲材表面呈現三層結構,即基體、氧化層、潤滑劑涂層,鈦合金絲材拉拔符合氧化磨損的典型特征。

(2)潤滑劑濃度過低會導致氧化層增厚、摩擦磨損量增加;潤滑劑濃度過高會導致附著的潤滑劑過多且形成過寬的氧化層裂縫會導致基體層的更大損傷,因此,本研究潤滑劑濃度選為40%,達到良好潤滑效果。

(3)絲材表面氧化層經歷著形成氧化層、氧化層產生橫向細裂紋、橫向裂紋間隙增大、平行氧化層變形直到破碎成小顆粒;絲材表面的涂層隨著表面氧化層的演變而由最開始的附著在氧化層表面逐漸到少量分布氧化層表面、大量填充裂縫間隙。