陈永君1,胡小刚1,羌建兵1,2,董闯1,2,

1 大连理工大学材料科学与工程学院, 大连 116024
2 大连理工大学三束材料改性教育部重点实验室, 大连 116024

摘要

关键词：准晶磨料;软金属;碾抹特性;表面硬化;钝化膜

为实现被加工表面的平整化, 常用硬质磨料对加工表面进行高强度磨削[1,2], 如金刚石, SiC, B4C和Al2O3(刚玉)等, 以深度去除表层材料达到平整化目的. 然而, 对于Al, Cu, Mg和Ti等软金属的表面加工平整化, 硬质磨料往往导致严重的划伤和大的表面去除率, 使软金属表面难以达到工业要求. 因此需要找到一种特殊的磨料, 它不会对软金属表面产生严重的划伤, 并且可以达到较好的表面平整化效果.

本文作者课题组前期工作[3,4]发现, 准晶粉末可作为一种特殊的针对软金属表面平整加工的磨料. 其合适的硬度[5]、低的表面能[6]、低的摩擦系数[7], 呈现特殊的以碾抹主导的摩擦磨损机制. 以最小的表面去除率获得最大的表面平整化, 且对软金属表面具有高效的机械平整加工能力, 可在满足工件表面质量的同时, 保持工件尺寸精度. 准晶材料作为磨料的特点如下: (1) 高硬弹比(硬度/弹性模量[8,9]), 对金属表面既有磨损性, 自身塑性又能有效避免对工件表面的划伤; (2) 不粘性[10], 不易粘附或嵌入到工件表面, 降低被加工表面产生缺陷的几率; (3) 较好的化学稳定性和热稳定性[11,12], 可以承受磨损时产生的高温; (4) 准晶材料多为成本低廉的Al, Cu, Fe等常见金属[13-15]. 由此可见, 准晶磨料有望成为软金属表面平整化加工的新途径.

基于准晶磨料表现出的特殊摩擦磨损机制, 本课题组在工件表面用硬度计特意制造出压痕, 通过原位记录压痕研磨前后形状和几何尺寸变化的情况, 提出了一个简单模型[4], 可以明确区分准晶磨料和传统磨料不同的磨损机制, 并以碾抹系数来表达, 即碾抹系数越大, 碾抹机制越明显. 由此模型的几何结构特点出发, 基于压痕半径变化ΔR和基体工件表面去除高度Δh, 提出了tan(ΔR/Δh)这一值为碾抹系数[4]. 当碾抹系数等于2.48时, 金属表面发生理想的切削磨损; 当碾抹系数小于2.48时, 基体发生以切削为主导的磨损; 当碾抹系数大于2.48时, 基体发生以碾抹为主导的磨损. 本工作针对前期工作提出的碾抹系数, 将准晶磨料与传统的3种磨料(金刚石、Al2O3和SiO2)进行对比, 进一步研究准晶磨料的碾抹特性对磨损表面形貌、表层硬度以及耐蚀性能的影响.

1 实验方法

1.1 抛光膏的制备

为了揭示准晶磨料磨损特性, 与3种常用的磨料(金刚石、Al2O3和SiO2)进行对比. 其中, 金刚石研磨膏的磨料颗粒尺寸约10 μm, 尖锐角不规则颗粒; 准晶、Al2O3和SiO2磨料颗粒的尺寸约10 μm, 如图1所示, 均是具有尖锐角的不规则形状. 准晶、金刚石、Al2O3和SiO2抛光膏是利用润滑油膏体(主要含有硬脂酸和凡士林)和各磨料混合制成, 磨料在膏中的比例为10% (质量分数).

图1Al2O3, 准晶和SiO23种磨料的形貌

Fig.1SEM images of Al2O3(a), quasicrystal (QC) (b), and SiO2(c) abrasives

1.2 工件材料

实验选用的抛光工件分别是紫铜(100%Cu), 2024铝合金(Cu 4.0, Mg 1.51, Mn 0.59, Si 0.17, Zn 0.14, Fe 0.12, Cr 0.03, Al余量, 质量分数, %)和304不锈钢(C 0.05, Mo 0.11, Si 0.60, Mn 1.21, Ni 8.11, Cr 17.13, Fe余量, 质量分数, %) 3种软金属材料. 为了研究准晶磨料的磨损机制, 本工作采用HV-1000型Vickers硬度测量仪, 在工件表面制造压痕缺陷, 即在每个样品上依次分别加载0.25, 0.49, 0.98, 1.96, 2.94, 4.91和9.81 N载荷, 每次加载时间10 s, 使工件表面产生7个尺寸不同的菱形压痕, 如图2所示. 本实验的工件有2种尺寸: (1) 直径40 mm, 高12 mm的圆柱, 在其表面上标记7个压痕, 随后抛光; (2) 10 mm×10 mm×3 mm的块体, 用于测试抛光后表面AFM形貌、纳米硬度和电化学阻抗. 工件在抛光前用200, 400, 800, 1500和2000目SiC水磨砂纸依次进行打磨.

图2紫铜表面标记初始压痕形状

Fig.2OM image of indentations on the surface of copper

1.3 抛光测试

采用Phoenixbeta/Vector型Buehler自动磨光/抛光机, 抛光介面为Buehler-TriDentTM抛光垫. 为了加强工件表面的磨损, 采用350 r/min的高转速, 工件支架以固定60 r/min转速进行相对转动, 加载10 N的垂直载荷. 工件相对于抛光垫的平均线速度为2 m/s. 每隔3 min, 加入固定的研磨膏0.2 g, 并用精确度为0.001 g的分析天平测量工件表面的质量损失, 总抛光时间为9 min. 实验前后样品均用酒精超声波清洗并烘干待用.

1.4 样品检测

采用BX51型光学电子显微镜(OM)和Supra 55(VP)型扫描电子显微镜(SEM)分别进行压痕形貌演变观察; 采用Agilent PicoPlus II型原子力显微镜(AFM)测定抛光后样品的表面粗糙度; 用100BA-1C型纳米硬度计检测抛光后样品的表面硬度, 最大检测深度为2 μm, 每次测试9个点.

阻抗测试采用标准的三电极体系, 参比电极是Ag/AgCl (饱和KCl)电极, 辅助电极是Pt, 工作电极是2024铝合金, 工作电极的有效面积为0.5 cm2. 测试时, 工作电极和参比电极的距离保持小于2 mm, 测试温度均为室温. 腐蚀液为3.5%NaCl溶液(质量分数), 工作站采用CS350型电化学测试仪. 阻抗谱频率为100 kHz~0.01 Hz, 所加的扰动电压幅值为10 mV. 测试阻抗前开路电位1 h, 使电位波动范围在±10 mV以内才能进行阻抗测量. 每组取3个样品为平行实验, 保证实验结果可重复.

2 实验结果与讨论

2.1 压痕缺陷的演变

紫铜表面经传统金刚石磨料和准晶磨料分别抛光后, 表面压痕形貌随抛光时间的演变如图3所示. 针对紫铜选定载荷为0.98 N和1.96 N压痕标记为研究对象, 每抛光3 min测量一次该标记压痕的对角线长度. 可知, 随着抛光时间的增加, 经金刚石抛光的紫铜压痕对角线长度明显缩小, 但其与周围基体界限分明, 轮廓清晰明锐, 压痕边缘有明显被金刚石切削的痕迹. 这是由于坚硬的金刚石磨料在紫铜表面以切削的形式, 层层剥落紫铜表面以达到表面平整的效果, 这也是传统硬磨料在研磨表面时最常见的磨损形式. 而准晶磨料抛光的紫铜表面, 在抛光3 min后, 菱形压痕边缘出现了明显的变形区域(图3d), 并伴有“碾压抹平”的痕迹. 随着抛光时间的延长, 压痕周围的“碾抹”区域面积增加, 菱形压痕边缘严重变形, 原来的菱形压痕边缘被碾抹挤压成向中心凹进的弧线形式. 这说明在抛光过程中, 准晶磨料与紫铜表面发生严重的塑性变形, 在压痕缺陷处这种局部的变形迫使紫铜基体向缺陷挤压并填补, 形成坑洼或产生反向挤压力而去除金属表面材料, 从而使表面缺陷变小甚至消失, 达到金属表面平整的效果. 紫铜表面载荷为0.98和1.96 N压痕对角线长度随磨料抛光时间的变化如图4所示. 可知, 在磨料抛光9 min时, 金刚石磨料使对角线减小了20 μm, 准晶磨料使对角线减小了10 μm. 金刚石对角线长度变化比准晶快了1倍.

图3紫铜表面标记的压痕形貌随抛光时间的演变

Fig.3OM images of indentation evolution on the surface of copper polished by diamond (a, c, e, g) and QC (b, d, f, h) abrasives with polishing time of 0 min (a, b), 3 min (c, d), 6 min (e, f) and 9 min (g, h)

图4紫铜压痕对角线长度随抛光时间的变化

Fig.4Length changes of diagonal polished by diamond and QC abrasives as a function of polishing timeton copper

2.2 AFM形貌与碾抹系数

由前期工作建立的3种磨损机制模型[4]: (1) 理想的切削磨损模型. 假定磨料对压痕缺陷内部无影响, 是一种理想的切削状态, 只针对工件表面, 层层去除表面材料以达到缺陷面积的逐渐缩小. 这种状态下, 碾抹系数不变, 为初始状态2.48; (2) 碾抹主导磨损模型. 在实际抛光过程, 磨料对压痕周围和内部都有影响. 由于碾抹作用的主导, 磨料使压痕缺陷从边缘到底部发生塑性变形, 此种情况下, 碾抹系数大于理想模型2.48, 所以碾抹系数越大, 碾抹作用越强烈; (3) 切削主导磨损模型. 磨料对压痕周围和内部有冲刷的作用, 使压痕内壁更加陡峭, 此时碾抹系数小于理想模型2.48, 并且碾抹系数越小, 切削作用越强烈. 由上述模型可简单判别在实际抛光过程中磨料对工件表面产生的摩擦磨损机制[4].

图5所示为准晶和3种传统磨料对紫铜、2024铝合金和奥氏体不锈钢的碾抹系数. 在2024铝合金体系中, Al2O3和SiO2磨料的碾抹系数均小于2.48, 以切削机制为主; 而金刚石和准晶磨料的碾抹系数分别为2.56和3.36, 高于基准值2.48, 以碾抹机制为主. 在紫铜和304不锈钢体系中, 准晶磨料和传统3种磨料的碾抹系数均高于2.48基准值, 以突出的碾抹机制为主导. 不同的是, 在紫铜和不锈钢体系中, 准晶磨料的碾抹系数分别是50.36和62.43, 而3种传统磨料的碾抹系数在4~8之间. 准晶磨料的碾抹系数高于传统磨料约10倍. 由此可知, 准晶磨料在软金属表面表现出了突出的碾抹特性.

图54种磨料抛光软金属表面后碾抹系数对比

Fig.5Smearing coefficients of polished by QC abrasive and the three conventional abrasives on the surface of copper, 2024 aluminum alloy and stainless steel

图6所示为紫铜表面分别经金刚石、Al2O3、准晶和SiO2磨料抛光后AFM形貌. 可以看出, 准晶磨料研磨的紫铜表面无明显划痕产生, 有基体被推碾挤压的流痕. 3种传统磨料研磨过的紫铜表面产生明显的划痕, 而不同之处在于划痕深浅程度. 金刚石磨料引起的划痕最深, 其次是Al2O3磨料, SiO2磨料引起的划痕最浅. 这与准晶磨料在紫铜体系中具有高的碾抹系数有关.图7所示为2024铝合金表面分别经金刚石、Al2O3、准晶和SiO2磨料抛光后的AFM形貌. 可知, 准晶磨料与3种传统磨料研磨的2024铝合金表面都产生划痕, 金刚石磨料和Al2O3磨料研磨的铝合金表面形貌相似, 都有深的划痕; 准晶磨料研磨的铝合金表面的划痕较浅, 有轻度碾压的现象发生; 而SiO2磨料研磨的表面有明显的切削痕迹, 留有尖锐的突起棱角. 根据碾抹系数不同, 紫铜和2024铝合金的AFM形貌呈现不同的特点. 在铝合金中, 因碾抹系数差别不大, 表面形貌的区别也不大, 但准晶磨料研磨的铝合金表面可以观察到碾抹的痕迹. 在紫铜中, 准晶磨料表现了突出的碾抹现象, 强的碾抹作用与其高的碾抹系数相匹配.

图64种磨料抛光紫铜后表面AFM形貌

Fig.6AFM surface topographies of copper workpeices polished by diamond (a), Al2O3(b), QC (c) and SiO2(d) abrasives

图74种磨料抛光后2024铝合金表面AFM形貌

Fig.7AFM surface topographies of 2024 aluminum alloy workpeices polished by diamond (a), Al2O3(b), QC (c) and SiO2(d) abrasives

表1列出了紫铜、2024铝合金和304不锈钢表面被不同磨料抛光后用AFM测定的粗糙度. 由3种不同表面粗糙度统计的方法来衡量磨料对表面平整度的影响, 即各点高度的算术平均值(Ra), 在整个测量范围内垂直方向上的高度差(RPV)以及各点平均高度的均方根值(RMS). 由表可知, 准晶磨料抛光的软金属表面粗糙度均小于以切削为主的传统磨料, 其中最突出的是抛光304不锈钢表面的Ra比金刚石和Al2O3磨料小2倍, 比SiO2磨料约小18倍; 同时RPV比金刚石和Al2O3磨料约小2.4倍, 比SiO2磨料约小10倍. 可见, 准晶磨料以显著的碾抹为主的磨损方式更容易产生平整的表面. 结合碾抹系数可知, 碾抹系数越大, 工件表面的塑性变形就越强烈, 表面的形貌越平整, 且表面不易产生划痕或产生较浅的划痕.

3 结论

(1) 抛光后软金属表面形貌与碾抹程度相关, 即碾抹系数越大, 表面越平整, 且碾抹系数与表面磨损率成反比. 准晶磨料抛光的金属表面粗糙度均小于传统磨料.

(2) 准晶磨料的突出碾抹特性导致金属产生强烈的表面硬化效应, 使不锈钢表面硬度提高了0.3 GPa, 紫铜表面硬度相对传统磨料提高了0.13~0.21 GPa, 而不同的磨料对铝合金表面的抛光处理对表面硬度几乎没有影响.

(3) 准晶磨料的碾抹特性可促进2024铝合金表面生成致密且厚的钝化膜.

来源--金属学报