馮甜甜, 張青來(lái)，肖富貴，韓寅奔, 高 霖，韓偉東

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013；2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004；3.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南京 210016；4. 寶雞市博信金屬材料有限公司，寶雞721013)

鎂合金板料數(shù)控?zé)釢u進(jìn)成形時(shí)的摩擦和潤(rùn)滑性能

馮甜甜1, 張青來(lái)1，肖富貴1，韓寅奔2, 高 霖3，韓偉東4

(1. 江蘇大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013；2. 東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，沈陽(yáng) 110004；3.南京航空航天大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，南京 210016；4. 寶雞市博信金屬材料有限公司，寶雞721013)

利用數(shù)控實(shí)驗(yàn)機(jī)床和摩擦實(shí)驗(yàn)研究AZ31鎂合金板料數(shù)控?zé)釢u進(jìn)成形時(shí)的摩擦和潤(rùn)滑機(jī)理。結(jié)果表明：鎂合金薄板在加熱條件下可以實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)漸進(jìn)成形；固體潤(rùn)滑膜可分為粘結(jié)型和吸附陶瓷型兩種；固體石墨和MoS2潤(rùn)滑劑的初始摩擦因數(shù)均小于0.12，均可保證熱漸進(jìn)成形件獲得良好的內(nèi)外表面質(zhì)量，沒有任何劃痕和裂紋等缺陷；吸附多孔陶瓷型固體潤(rùn)滑膜具有潤(rùn)滑和自潤(rùn)滑作用，固體潤(rùn)滑劑顆粒大小對(duì)初始摩擦因數(shù)有一定影響；固體BN粉末沒有起到潤(rùn)滑作用，不能單獨(dú)作為熱漸進(jìn)成形用固體潤(rùn)滑劑；當(dāng)溫度小于 500 ℃時(shí)，固體石墨和 MoS2粉末按一定比例配置的潤(rùn)滑復(fù)合噴劑的初始摩擦因數(shù)均小于為0.2，且表現(xiàn)出一定的協(xié)同作用。

鎂合金；熱漸進(jìn)成形；固體潤(rùn)滑劑；摩擦因數(shù)

鎂合金是具有良好前景的輕型結(jié)構(gòu)材料，廣泛應(yīng)用于航空、電子和汽車等工業(yè)領(lǐng)域。AZ31鎂合金板料塑性成形在加熱條件下完成，如熱拉深成形[1]、超塑性成形[2]、氣脹成形[3]和數(shù)控漸進(jìn)成形。最近幾年，板料熱漸進(jìn)成形是國(guó)內(nèi)外研究的焦點(diǎn)之一，其中包括AZ31鎂合金板料溫/熱漸進(jìn)成形及其工藝參數(shù)等方面的研究[4-11]。

加熱方式和摩擦條件是實(shí)施難加工金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形的重要影響因素。DUFLOU等[12]利用激光源動(dòng)態(tài)局部加熱 Al5182和 Ti-6Al-4V金屬板料改善了成形性能而實(shí)現(xiàn)了漸進(jìn)成形。FAN等[13-14]研究了動(dòng)態(tài)局部電阻加熱方法進(jìn)行Ti-6Al-4V鈦合金板料漸進(jìn)成形。對(duì)純鋁和 08鋼進(jìn)行常溫加工，潤(rùn)滑劑采用潤(rùn)滑油；對(duì)金屬板料進(jìn)行中高溫條件塑性加工，可采用MoS2、石墨和BN等固體潤(rùn)滑劑，如固體MoS2作為鎂合金板料熱漸進(jìn)成形潤(rùn)滑劑[5]。通過在多孔陶瓷中浸入固體潤(rùn)滑劑達(dá)到抗磨減摩目的，制備了多孔氧化鋁陶瓷儲(chǔ)油材料[15]。通過孔中引入石墨和六方氮化硼制得了自潤(rùn)滑復(fù)合陶瓷材料，其摩擦因數(shù)低至0.17[16]。利用微弧氧化(MAO)技術(shù)使金屬板料表面形成大量微孔，通過吸附固體 MoS2潤(rùn)滑劑達(dá)到潤(rùn)滑和自潤(rùn)滑效果[8-9]。利用電沉積制備了具有良好自潤(rùn)滑性能的銅基二硫化鉬復(fù)合涂層，并應(yīng)用在動(dòng)態(tài)電加熱漸進(jìn)成形中[14]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)漸進(jìn)成形的研究多數(shù)僅限于金屬板料成形性能的研究，對(duì)于板料漸進(jìn)成形用潤(rùn)滑劑及摩擦機(jī)理的研究很少。由于板料熱漸進(jìn)成形涉及加熱方法、潤(rùn)滑劑選擇及潤(rùn)滑機(jī)理，因此，有必要對(duì)鎂合金板料熱漸進(jìn)成形過程中摩擦和潤(rùn)滑問題進(jìn)行詳細(xì)研究和探討。本文作者通過研究不同固體潤(rùn)滑劑的摩擦性能和熱漸進(jìn)成形實(shí)驗(yàn)，探討AZ31鎂合金加熱板料數(shù)控漸進(jìn)加工成形及其不同固體潤(rùn)滑劑的潤(rùn)滑效果，為完善鎂合金塑性變形技術(shù)和基礎(chǔ)理論及提高板料熱漸進(jìn)成形件的質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本漸進(jìn)成形試驗(yàn)用材料為工業(yè)鎂合金 AZ31板料，其厚度為1.0 mm，化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：Al 3%，Zn 0.95%，Mn 0.28%，Si 0.022%，F(xiàn)e 0.012%，其余為Mg。

圖1所示為本實(shí)驗(yàn)所使用各種固體潤(rùn)滑劑的形貌和尺寸。由圖1可見，固體石墨粉末是片狀的，其尺寸大小不一，平均為2～150 μm，大片狀石墨(以下簡(jiǎn)稱“Cb”)如圖 1(a)所示，小尺寸石墨(以下簡(jiǎn)稱“Cs”)如圖 1(b)所示；固體 MoS2粉末顆粒為細(xì)小多邊形狀，其尺寸平均為1 μm(見圖1(c))；BN固體顆粒形狀是圓形的，其平均尺寸為100 nm(見圖1(d))；固體混合潤(rùn)滑噴劑的組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：6%～30%Cs+MoS2固體潤(rùn)滑劑，45%～90%有機(jī)粘結(jié)劑(聚亞安酯)，2%～5%抗氧化劑(PbO)和1% K2Ti4O9晶須[17]，其中K2Ti4O9晶須提高高溫摩擦性能。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與儀器

鎂合金板料漸進(jìn)成形試驗(yàn)設(shè)備[7-11]是基于 UG的數(shù)控漸進(jìn)成形機(jī)床NH-SK1060。利用上下壓邊圈固定被加工板料，在配有CAD/CAM軟件的數(shù)控機(jī)床上控制成形工具頭來(lái)實(shí)現(xiàn)板料的連續(xù)局部塑性成形。在數(shù)控裝置下，通過事先被加熱的板料與成形工具之間的單點(diǎn)運(yùn)動(dòng)促使三維輪廓得以成形，成形工具沿著模型的內(nèi)表面由邊緣向心部逐漸成形。

摩擦試驗(yàn)是在MG2000摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。將固體潤(rùn)滑噴劑涂覆于盤狀試樣(尺寸為 d 70 mm×10 mm)，用材料為18-8不銹鋼的環(huán)狀與盤狀試樣進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如下：試驗(yàn)溫度分別為常溫和 500℃，試驗(yàn)速度為2 000 mm/min，壓力為1～50 N。

摩擦因數(shù)按下式計(jì)算

式中：M 為計(jì)算機(jī)采集的摩擦力矩，N·m；p為正壓力, N；r為試樣回轉(zhuǎn)半徑，m。

用型號(hào)為JEOL JSEM-7001F的掃描電鏡觀察斷口形貌和表面狀態(tài)分析。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

表 1所列為本試驗(yàn)所使用的潤(rùn)滑方法和潤(rùn)滑結(jié)果。粘結(jié)型潤(rùn)滑膜是由有機(jī)粘結(jié)劑(聚亞胺酯)膜和固體潤(rùn)滑劑構(gòu)成(試驗(yàn)A～D)，即在鎂合金板料表面噴涂有機(jī)粘結(jié)劑，加熱后形成與基體(板料)之間具有足夠粘結(jié)力的有機(jī)膜，再涂敷薄薄一層固體潤(rùn)滑劑，如石墨粉末、MoS2粉末、BN粉末或其幾種混合固體潤(rùn)滑劑。固體潤(rùn)滑噴劑(試驗(yàn) E)：6%～30%Cs+MoS2固體潤(rùn)滑劑，45%～90%有機(jī)粘結(jié)劑(聚亞胺酯)，2%～5%抗氧化劑(PbO)和 1% K2Ti4O9晶須，直接噴涂在鎂合金板料表面，加熱后直接形成固體潤(rùn)滑膜。試驗(yàn)F是將固體石墨粉末直接撒在光滑的鎂合金板料上進(jìn)行漸進(jìn)成形。

物理吸附多孔陶瓷型固體潤(rùn)滑膜(以下簡(jiǎn)稱“陶瓷型固體潤(rùn)滑膜”)(試驗(yàn)G)特點(diǎn)是將固體石墨或MoS2粉末直接涂敷在微弧氧化(MAO)處理后形成的多孔陶瓷層鎂合金板料上，利用吸附作用而形成一層潤(rùn)滑

層[8-9]。

圖1 固體潤(rùn)滑劑顆粒SEM形貌Fig.1 SEM morphologies of solid lubricant particles: (a) Big graphite (Cb); (b) Small graphite (Cs); (c) MoS2; (d) BN

表1 潤(rùn)滑方法和潤(rùn)滑效果Table1 Lubricating methods and results

2 結(jié)果與分析

2.1 初始摩擦因數(shù)

針對(duì)金屬板料數(shù)控漸進(jìn)成形的特點(diǎn)，成形軌跡是成形工具頭沿著事先設(shè)定模型的內(nèi)表面單點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，由邊緣向心部逐漸成形。在此成形過程中，成形工具頭與板料的摩擦特點(diǎn)是瞬間摩擦，區(qū)別于傳統(tǒng)的摩擦概念。因此，本實(shí)驗(yàn)測(cè)定固體潤(rùn)滑劑的室溫初始摩擦因數(shù)，并以此作為評(píng)定板料單點(diǎn)漸進(jìn)成形潤(rùn)滑效果好壞的尺度。

圖2所示為陶瓷型固體潤(rùn)滑劑的摩擦因數(shù)曲線。從圖 2可知，大片石墨的初始摩擦因數(shù)(曲線 1)約為0.07，而小片石墨的初始摩擦因數(shù)(曲線5)約為0.12，即大片石墨潤(rùn)滑效果優(yōu)于小片石墨的。而粘結(jié)型石墨及石墨+MoS2混合型潤(rùn)滑膜的摩擦因數(shù)(曲線3及曲線4)高于陶瓷型石墨及石墨+MoS2混合型自潤(rùn)滑膜的摩擦因數(shù)(曲線 1、曲線 2和曲線 5)，也就是說(shuō)石墨和MoS2摩擦因數(shù)相差不大，但多孔微弧陶瓷層大大降低了固體潤(rùn)滑劑的摩擦因數(shù)，即改善其潤(rùn)滑效果，這是由于連續(xù)潤(rùn)滑和自潤(rùn)滑作用結(jié)果。盡管如此，無(wú)論是粘結(jié)型固體潤(rùn)滑劑，還是陶瓷型固體潤(rùn)滑劑，其初始摩擦因數(shù)均小于0.12，都具有良好的潤(rùn)滑性能。這說(shuō)明初始摩擦因數(shù)主要取決于固體潤(rùn)滑劑種類，受潤(rùn)滑方式影響較小。

圖2 陶瓷型固體潤(rùn)滑劑摩擦因數(shù)Fig.2 Friction coefficients of ceramic solid lubricants (Load=5 N)

圖3 所示為粘結(jié)型固體BN潤(rùn)滑劑的摩擦因數(shù)曲線。從圖3可知，固體BN潤(rùn)滑劑對(duì)不同固體粘結(jié)劑的組合協(xié)同效果是不同的，但對(duì)石墨或 MoS2潤(rùn)滑膜的初始摩擦因數(shù)沒有影響，即粘結(jié)型石墨潤(rùn)滑劑和石墨+BN混合潤(rùn)滑膜的初始摩擦因數(shù)均為0.07，與圖2中石墨的初始摩擦因數(shù)相同；而粘結(jié)型 MoS2潤(rùn)滑膜和MoS2+BN混合潤(rùn)滑膜的初始摩擦因數(shù)均為0.12。

圖3 粘結(jié)劑型固體潤(rùn)滑劑摩擦因數(shù)Fig.3 Friction coefficients of bonded solid lubricants (Load=1 N)

圖4 固體混合噴劑的SEM形貌和摩擦因數(shù)Fig.4 SEM morphology and friction coefficients of solid mixed spray: (a) SEM morphology of solid spray; (b) Load=1, 3, 5 N at room temperature; (c) Load =50 N at room temperature; (d) Load =50 N at 500 ℃

為了研究壓力與溫度對(duì)固體混合噴劑的摩擦因數(shù)的影響，將不含和含有 K2Ti4O9的固體潤(rùn)滑膜試樣進(jìn)行室溫和500 ℃下摩擦實(shí)驗(yàn)，用18-8不銹鋼的環(huán)狀與 1Cr18Ni9Ti盤狀試樣進(jìn)行對(duì)磨試驗(yàn)。圖 4所示為固體混合潤(rùn)滑噴劑的 SEM 形貌和摩擦因數(shù)曲線。從圖 4(b)和 4(c)可知，摩擦因數(shù)隨著壓力的增加而逐漸降低且保持相對(duì)穩(wěn)定，其摩擦曲線特征區(qū)別于上述固體粘結(jié)劑的摩擦曲線(見圖2和3)。當(dāng)壓力為1~5 N時(shí)，固體混合潤(rùn)滑噴劑的摩擦因數(shù)均為0.22，其值大于粘結(jié)劑型固體潤(rùn)滑劑的初始摩擦因數(shù) 0.07~0.1；常溫下當(dāng)壓力為50 N時(shí)，固體混合噴劑的摩擦因數(shù)均為0.1；當(dāng)壓力和溫度分別為50 N和500 ℃時(shí)，固體混合噴劑的摩擦因數(shù)均為0.15。

2.2 漸進(jìn)成形試驗(yàn)

關(guān)于鎂合金板料熱漸進(jìn)成形工藝及相關(guān)技術(shù)，張青來(lái)等[7-11]進(jìn)行了大量詳細(xì)的研究。漸進(jìn)成形工藝制度如下：成形溫度為250 ℃，成形角選為55°，工具頭的進(jìn)給量和移動(dòng)速度分別為 0.4 mm和 2 000 mm/min。下面主要介紹粘結(jié)劑型固體潤(rùn)滑劑對(duì)鎂合金熱漸進(jìn)成形及成形件表面質(zhì)量的影響，試驗(yàn)方案與結(jié)果詳見表1。

大片固體石墨粉末(試驗(yàn) F)直接撒在光滑鎂合金板料表面。由于石墨粉末與板料基體之間沒有粘結(jié)力，處于松散狀態(tài)，因此工具頭有可能與板料表面直接接觸，特別是石墨粉末不能覆蓋其新的金屬表面時(shí)，將無(wú)法保證被加工表面連續(xù)潤(rùn)滑，以致工具頭和金屬的接觸面處于干摩擦狀態(tài)。這種潤(rùn)滑條件將導(dǎo)致被加工件表面出現(xiàn)劃痕，降低加工件內(nèi)表面質(zhì)量，如圖 5(a)所示，甚至因開裂無(wú)法完成漸進(jìn)成形。由于摩擦力大會(huì)降低工具頭的壽命，因此必須有足夠量的固體潤(rùn)滑劑來(lái)覆蓋整個(gè)被加工表面，以保證工具頭和金屬的接觸面潤(rùn)滑，但將大量浪費(fèi)潤(rùn)滑劑和影響加工精度。

為了使固體潤(rùn)滑劑與金屬板料之間具有足夠的粘結(jié)力，先在鎂合金板料表面噴涂有機(jī)粘結(jié)劑(聚亞安酯)，加熱后板料表面形成一層薄薄的有機(jī)膜，再涂敷一層固體潤(rùn)滑劑，如石墨粉末、MoS2粉末、BN粉末或混合固體潤(rùn)滑劑，這樣就在板料表面制備好了一層粘結(jié)型固體潤(rùn)滑膜(試驗(yàn)A～D)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，粘結(jié)型固體石墨和 MoS2潤(rùn)滑粉末(試驗(yàn)A和B)與板料之間的粘結(jié)力足以保證完成熱漸進(jìn)成形所需的連續(xù)潤(rùn)滑效果，加工后的內(nèi)表面有一層固體潤(rùn)滑膜，且這些固體潤(rùn)滑劑分布均勻，表面光滑和無(wú)任何劃痕等缺陷；外表面完整、光滑、無(wú)裂紋，如圖5(b)和5(c)所示。BN雖然是一種良好的高溫潤(rùn)滑劑，但在工具頭沿板料表面作單點(diǎn)漸進(jìn)軌跡運(yùn)動(dòng)時(shí)，工具頭與板料之間發(fā)生嚴(yán)重摩擦，將粘結(jié)型固體 BN粉末(試驗(yàn) D)完全從金屬板料表面擠出，導(dǎo)致板料嚴(yán)重劃傷和工具頭磨損，甚至出現(xiàn)新的金屬表面，無(wú)法完成漸進(jìn)加工成形，如圖5(d)所示。這表明粘結(jié)型固體BN潤(rùn)滑膜的粘結(jié)力很小，使固體BN粘結(jié)劑在加工中沒有起到潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致成形工具頭與板料之間的摩擦主要以黏著磨損為主，這一結(jié)果與TC4板料在高溫下漸進(jìn)成形的情況一致[14]。

圖5 不同潤(rùn)滑條件下單點(diǎn)漸進(jìn)成形錐體件Fig. 5 Formed cone parts in SPIF under different lubricating conditions: (a) Without binder+Cb; (b) Binder+Cb; (c) Binder+MoS2;(d) Binder+BN

如果將固體混合潤(rùn)滑噴劑(試驗(yàn) E)均勻地噴涂在鎂合金光滑板料表面上，加熱后在固體潤(rùn)滑劑與板料表面形成一定結(jié)合力，可提供工具頭沿板料運(yùn)動(dòng)足夠的潤(rùn)滑能力，成形件內(nèi)外表面質(zhì)量良好，達(dá)到粘結(jié)型固體石墨和MoS2潤(rùn)滑效果(見圖5(b)和5(c))，即內(nèi)外表面完整、光滑、無(wú)劃痕和裂紋等缺陷，如圖 6(a)所示。從圖6(b)可看出，固體潤(rùn)滑薄膜完全覆蓋金屬板料表面，即具有良好的連續(xù)潤(rùn)滑作用。朱成順等[17]指出，按一定比例使用固體石墨和 MoS2混合潤(rùn)滑劑，可發(fā)揮各種固體潤(rùn)滑劑的協(xié)同作用。

多孔陶瓷型固體MoS2潤(rùn)滑膜(試驗(yàn)G)具有良好的潤(rùn)滑作用，加工件內(nèi)表面光滑，且沒有劃痕等缺陷，見圖7(a)。從圖 7(b)可觀察到，陶瓷層中微孔存在大量固體 MoS2顆粒，這足以證明多孔陶瓷固體潤(rùn)滑層的自潤(rùn)滑作用。

3 討論

板料漸進(jìn)成形技術(shù)是使用成形工具頭在計(jì)算機(jī)控制下沿等高線層面上的加工軌跡運(yùn)動(dòng)，以工具頭的運(yùn)動(dòng)所形成的包絡(luò)面來(lái)代替模具的型面，對(duì)板材進(jìn)行逐次局部變形代替整體成形。加工中成形力主要集中在工具頭與板料的接觸區(qū)。本實(shí)驗(yàn)中采用電加熱方式將整體被加工板料加熱到成形溫度而實(shí)施漸進(jìn)成形的，所需要的潤(rùn)滑劑和潤(rùn)滑方式也是不同的。

眾所周知，石墨粉末、MoS2粉末、BN粉末以及自潤(rùn)滑陶瓷膜材料可作為高溫固體潤(rùn)滑劑。固體潤(rùn)滑膜可分為粘結(jié)型固體潤(rùn)滑膜和陶瓷型固體潤(rùn)滑膜。

圖6 固體混合噴劑潤(rùn)滑時(shí)單點(diǎn)漸進(jìn)成形錐體件Fig. 6 Formed cone part in SPIF by solid mixed spray: (a) Formed part by solid spray; (b) SEM morphology of inner surface

圖7 陶瓷型固體潤(rùn)滑劑單點(diǎn)漸進(jìn)成形錐體件Fig. 7 Formed cone part in SPIF by ceramic solid lubricant: (a) Formed part by solid MoS2; (b) SEM morphology of inner surface

張青來(lái)等[8-9]對(duì)陶瓷型固體潤(rùn)滑機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)研究和分析，即利用微弧氧化技術(shù)在金屬板料形成陶瓷層，其表面分布著大量微孔，利用其多孔吸附作用來(lái)實(shí)現(xiàn)陶瓷層潤(rùn)滑和自潤(rùn)滑作用。這種潤(rùn)滑方式的優(yōu)點(diǎn)如下：1)非常簡(jiǎn)單，易操作和實(shí)用，成形前可防止鎂合金表面氧化和腐蝕；2)具有良好的潤(rùn)滑和自潤(rùn)滑作用。陶瓷型固體潤(rùn)滑膜的不足之處在于：250 ℃時(shí)鎂合金板料發(fā)生軟化，其最大流變應(yīng)力由室溫 300 MPa降到50 MPa[11]，又由于陶瓷層的硬度遠(yuǎn)高于鎂合金的，很難像鎂合金一樣發(fā)生塑性變形，在成形過程中陶瓷潤(rùn)滑層將發(fā)生破裂(見圖 7(b))。多孔微弧氧化陶瓷層不導(dǎo)電，不適合高溫動(dòng)態(tài)電加熱TC4板料漸進(jìn)成形，這是由于電流回路產(chǎn)生高熱，同時(shí)受潤(rùn)滑劑的限制，如石墨粉末在工具頭和板料之間出現(xiàn)電火花，而且在高溫和塑性變形下，多孔潤(rùn)滑膜和基體的結(jié)合力小，多孔膜完全脫落，增加了板料表面的裂紋。而銅基二硫化鉬復(fù)合涂層解決了高溫動(dòng)態(tài)電加熱TC4板料漸進(jìn)成形的潤(rùn)滑問題[14]。

關(guān)于粘結(jié)型固體潤(rùn)滑機(jī)理：引入一種有機(jī)粘結(jié)劑(聚亞胺酯)，使鎂合金板料表面形成具有足夠粘結(jié)力的薄薄一層有機(jī)膜，目的是增加固體潤(rùn)滑粉末與金屬板料之間的結(jié)合力，以滿足工具頭沿金屬板料熱漸進(jìn)成形時(shí)的摩擦需要。上述漸進(jìn)成形試驗(yàn)表明，不同固體潤(rùn)滑劑所形成的結(jié)合力是不同的。石墨粉末、MoS2粉末或其混合粉末具有良好潤(rùn)滑作用，滿足熱漸進(jìn)成形潤(rùn)滑條件；而BN粉末與粘結(jié)劑所形成的結(jié)合力很小，不能抵消硬度較高的工具頭在較軟的金屬板料上運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的摩擦力，BN粉末被從接觸面擠出來(lái)，失去潤(rùn)滑作用(見圖5(d))。將固體石墨粉末、MoS2粉末和有機(jī)粘結(jié)劑等按比例配置成固體潤(rùn)滑噴劑，然后直接噴涂在鎂合金板料表面，加熱后形成固體潤(rùn)滑膜，操作簡(jiǎn)單，潤(rùn)滑效果良好，且能發(fā)揮各組分的協(xié)同作用。所建議的粘結(jié)型固體潤(rùn)滑膜可保證漸進(jìn)成形件具有良好的內(nèi)外表面質(zhì)量，更適合鎂合金板料熱漸進(jìn)成形工藝要求。

采用固體潤(rùn)滑劑時(shí)，工具頭和板料之間的熱摩擦可以用“邊界摩擦理論”來(lái)解釋[14]。邊界摩擦又稱為邊界潤(rùn)滑摩擦，指相對(duì)運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)金屬材料表面被極薄的潤(rùn)滑膜隔開。在邊界潤(rùn)滑時(shí)，潤(rùn)滑劑的摩擦性能具體數(shù)值取決于薄膜的強(qiáng)度和厚度。潤(rùn)滑薄膜分為物理吸附薄膜、化學(xué)吸附薄膜以及化學(xué)反應(yīng)薄膜。薄膜的性質(zhì)取決于潤(rùn)滑劑的組分和金屬材料的成分，同時(shí)亦取決于接觸壓力和接觸溫度。由于鎂合金板料成形溫度小于300 ℃，石墨粉末、MoS2粉末和BN粉末的性能是比較穩(wěn)定。朱成順等[17]指出，在室溫和300 ℃時(shí), K2Ti4O9對(duì)石墨-MoS2固體潤(rùn)滑膜的摩擦磨損性能影響不明顯；在500 ℃時(shí)，由于固體潤(rùn)滑劑發(fā)生氧化，鈦酸鉀晶須的增強(qiáng)作用明顯，固體潤(rùn)滑膜的耐磨壽命顯著提高，而摩擦壽命對(duì)板料熱漸進(jìn)成形不是重要參數(shù)，關(guān)鍵是潤(rùn)滑膜的初始摩擦因數(shù)。這是由漸進(jìn)成形的特征—單點(diǎn)逐層按軌跡成形決定的。

4 結(jié)論

1) 粘結(jié)型或陶瓷型固體石墨和MoS2潤(rùn)滑劑的初始摩擦因數(shù)均小于 0.12。大片石墨的初始摩擦因數(shù)0.07，小于小尺寸石墨的 0.12；物理吸附多孔陶瓷型固體潤(rùn)滑膜具有潤(rùn)滑和自潤(rùn)滑作用，與粘結(jié)型固體潤(rùn)滑膜具有大致相同的初始摩擦因數(shù)。

2) 粘結(jié)型或陶瓷型固體石墨和MoS2潤(rùn)滑劑均可保證漸進(jìn)成形件獲得高質(zhì)量的內(nèi)外表面，沒有任何劃痕和裂紋等缺陷，可推薦作為金屬板料熱漸進(jìn)成形用潤(rùn)滑劑；固體BN粉末沒有起到潤(rùn)滑作用，不能作為熱漸進(jìn)成形用固體潤(rùn)滑劑。

3) 當(dāng)壓力和溫度分別小于50 N和500 ℃時(shí)，固體石墨和 MoS2混合潤(rùn)滑噴劑的初始摩擦因數(shù)均小于0.2，受溫度影響較小，成形件具有良好的內(nèi)外表面質(zhì)量，此時(shí)潤(rùn)滑劑表現(xiàn)出協(xié)同潤(rùn)滑作用，非常適合金屬板料熱漸進(jìn)成形。

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Friction and lubrication performances of magnesium alloy sheet in numerically controlled hot incremental forming

FENG Tian-tian1, ZHANG Qing-lai1, XIAO Fu-gui1, HAN Yin-ben2, GAO Lin3, HAN Wei-dong4
(1. School of Materials Science and Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China;2. School of Materials and Metallurgy, Northeastern University, Shenyang 110004, China;3. College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016, China;4. Baoji Boxin Metal Materials Co., Ltd., Baoji 721013, China)

The friction and lubrication mechanism of AZ31 magnesium alloy sheets in numerically controlled hot incremental forming were investigated by numerically controlled machine tools and friction tests. The results show that the single point incremental forming (SPIF) of magnesium alloy sheets can be achieved by heating. The solid lubricant film can be divided into two types, bonded and adsorbed ceramic coatings. The initial friction coefficients of graphite and MoS2solid lubricant are both less than 0.12, which can ensure to obtain good inner and outer surface of hot incremental forming parts, without any defects such as scratches or cracks. The adsorbed porous ceramic solid lubricant film works as both lubrication and self-lubrication. The size of solid lubricant particles has an influence on the initial friction coefficient.The solid BN powder does not play the role of lubrication. As a result it can not be employed alone as a solid lubricant in hot incremental forming. When the temperature is lower than 500 ℃, the initial friction coefficient of the composite sprays mixed with solid graphite and MoS2powders by a certain proportion is less than 0.2, exhibiting a synergistic effect.

magnesium alloy; hot incremental forming; solid lubricant; friction coefficient

TG146.2; TG386

A

1004-0609(2012)1-0045-08

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50774037, 51175231)

2010-12-23；

2011-04-02

張青來(lái)，教授，博士；電話：13641843740; E-mail: zhangql196210@163.com

(編輯 何學(xué)鋒)