龔安華+付立銘+索忠源+王孝忠+單愛(ài)黨

摘要：

研究了振動(dòng)研磨工藝對(duì)渦輪用QAl10-4-4合金組織和表面性能的影響.結(jié)果表明：振動(dòng)研磨處理后，QAl10-4-4合金產(chǎn)生了從研磨表面至心部硬度逐漸降低的硬化層，表面硬度提高約20%；相對(duì)于未研磨處理的QAl10-4-4合金，經(jīng)振動(dòng)研磨處理后，合金處于表面壓應(yīng)力狀態(tài)，表面殘余應(yīng)力提高約300 MPa，表面粗糙度明顯降低，表面摩擦因數(shù)顯著下降，耐磨性顯著提高.工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明：使用振動(dòng)研磨工藝處理QAl10-4-4合金蝸輪提高整機(jī)的傳動(dòng)效率超過(guò)20%.振動(dòng)研磨后，材料表面綜合性能的提高與表層組織細(xì)化有直接關(guān)系.

關(guān)鍵詞：

振動(dòng)研磨拋光； QAl10-4-4合金； 組織； 表面殘余應(yīng)力； 摩擦磨損

中圖分類號(hào)： TG 146.1-文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

Effect on the Microstructure and Surface Properties

of the QAl10-4-4 Alloy by the Mechanical

Vibration Polishing Treatment

GONG Anhua1，2， FU Liming1， SUO Zhongyuan1，3， WANG Xiaozhong2， SHAN Aidang1，2

（1.School of Materials Science and Engineering， Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240，

China； 2.Rotork Actuation（Shanghai） Co. ， Ltd. ， Shanghai 201108， China； 3.College of

Mechanical and Electrical Engineering， Jilin Institute of Chemical Technology， Jilin 132022， China）

Abstract：

This paper studies the effect on microstructure and surface properties of the QAl10-4-4 alloy via mechanical vibration polishing treatment（MVPT）.It is found that a hardened layer was present in the QAl10-4-4 alloy after MVPT and the hardness gradually decreases from the surface to the centre.The surface hardness increased by 20%.Compared to the samples without MVPT，samples with MVPT has a compressive stress state，increased the surface residual stress by about 300 MPa，and reduced the surface roughness and surface friction coefficient greatly which led to increase the wear resistance.Practical applications indicates that mechanical efficiency increases more than 20% by using the QAl10-4-4 alloy（with MVPT） worm wheel .The improvement of the comprehensive surface properties of the alloy with MVPT is directly associated with refinement of microstructures in the hardened layer.

Keywords：

mechanical vibration polishing treatment（MVPT）； QAl10-4-4 alloy； microstructure； surface residual stress； friction and wear

通過(guò)對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化處理可以有效地改善機(jī)械零件的表面性能，提高零件的壽命和使用穩(wěn)定性.機(jī)械振動(dòng)研磨是一種改善材料表面性能的方法，它將被加工零件置于盛有磨塊和磨劑介質(zhì)的滾筒中，在復(fù)雜的三維相對(duì)運(yùn)動(dòng)作用下，游離狀態(tài)的磨塊以一定頻率和沖擊力對(duì)零件表面進(jìn)行碰撞、滾壓及微量磨削，從而細(xì)化表面粗糙度、去除加工毛刺、減輕或消除表面缺陷，改善表面力學(xué)性能，達(dá)到提高零件表面質(zhì)量、提高產(chǎn)品使用性能的目的[1-2].與噴（拋）丸、滾壓和孔擠壓等傳統(tǒng)的表面強(qiáng)化或處理技術(shù)相比，機(jī)械振動(dòng)研磨處理，零件表面的相對(duì)塑性變形小，不破壞零件表面形態(tài)，提高零件表面粗糙度，從而提高材料壽命[3-5].這種處理工藝的設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)運(yùn)行成本低廉，是一種有效的表面處理技術(shù)[2].研究表明，在合理的工藝下，微粒沖擊工件的表層硬度與普通噴丸處理的工件表面硬度相當(dāng)，微粒沖擊明顯降低了工件表面粗糙度，表面組織有納米化的趨勢(shì)，材料的表面耐磨特性得到了顯著提高.但有關(guān)機(jī)械振動(dòng)研磨對(duì)材料表面強(qiáng)化影響及其機(jī)理方面的研究不多[6-9].

蝸輪蝸桿傳動(dòng)作為一種典型的、傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，廣泛用于機(jī)床、冶金、礦山、交通設(shè)備、起重設(shè)備及工業(yè)設(shè)備中.蝸輪和蝸桿零件的形狀特殊，對(duì)表面質(zhì)量和耐磨性及使用壽命要求極高，一直是研究與應(yīng)用的熱點(diǎn).QAl10-4-4合金，是一種應(yīng)用在使用性能要求較高的蝸輪制造中的材料.通常該材料在加工成型過(guò)程中，需首先進(jìn)行應(yīng)力退火處理，然后再整體進(jìn)行淬火處理，以滿足使用的技術(shù)指標(biāo)與要求[10-12].某型號(hào)鋁青銅合金蝸輪產(chǎn)品早期通過(guò)熱處理后再冰冷處理，勉強(qiáng)通過(guò)測(cè)試.但一次合格率較低，返工率偏高，生產(chǎn)不能穩(wěn)定進(jìn)行，給正常的生產(chǎn)測(cè)試造成了很大的影響.改用振動(dòng)研磨工藝后，性能穩(wěn)定，效果明顯.

本文以渦輪用QAl10-4-4合金為試驗(yàn)材料，研究了振動(dòng)研磨工藝對(duì)該材料的表面應(yīng)力狀態(tài)、表面組織、性能和耐磨性的影響規(guī)律.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)合金成分與樣品制備

試驗(yàn)用合金為一種典型的蝸輪用擠壓后退火態(tài)QAl10-4-4合金，其化學(xué)成分如表1所示.

試驗(yàn)采用400 L型立式振動(dòng)研磨機(jī)，設(shè)備原理及實(shí)物如圖1和圖2所示.試樣切割成1.0 mm厚的薄片狀，并為其設(shè)計(jì)了專門的安裝夾具，將試樣固定在自制的夾具上，如圖2（b）所示.然后放入立式振動(dòng)研磨拋光機(jī)（圖2（a）），采用10 mm×10 mm正三角，8 mm×8 mm斜三角和8 mm×8 mm圓柱形3種形狀的棕剛玉研磨料.3種研磨料按質(zhì)量比1∶1∶1配料，將試樣與實(shí)際生產(chǎn)的產(chǎn)品分別進(jìn)行1，2和3 h振動(dòng)研磨處理.此外，準(zhǔn)備了一組雙面振動(dòng)研磨的薄片狀試樣，用于后續(xù)的拉伸性能測(cè)試研究.

1.2 試驗(yàn)方法

磨損試驗(yàn)采用UMT-3多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)機(jī)采用銷盤式摩擦，試驗(yàn)樣品為圓柱狀，其摩擦對(duì)偶為盤狀.載荷、速度、距離、氣氛及摩擦對(duì)偶等測(cè)試參數(shù)和摩擦條件都可以自行調(diào)整.摩擦因數(shù)通過(guò)與連桿上裝置的傳感器連接的計(jì)算機(jī)測(cè)出.試樣尺寸4.5 mm×20 mm，對(duì)磨副為GCr15（淬火+低溫回火態(tài)），在室溫進(jìn)行干摩擦及浸油摩擦.磨損參數(shù)：載荷40 N，時(shí)間1 h，摩擦速度100 r/min，試樣及對(duì)磨副在磨損前后均需要進(jìn)行清洗、吹干、稱重（萬(wàn)分之一天平），測(cè)量磨損質(zhì)量.

材料分別進(jìn)行切割、鑲嵌、研磨、拋光和腐蝕（腐蝕液采用體積分?jǐn)?shù)為5%的氯化高鐵+鹽酸水溶液）制成金相樣品.采用MEF4A型金相顯微鏡（OM）和Phenom GSR飛納臺(tái)式掃描電子顯微鏡（SEM）進(jìn)行組織觀察.X射線衍射分析在島津Shimadzu XRD-6000型全自動(dòng)衍射儀上進(jìn)行，Cu Kα靶材，2θ/（°）連續(xù)掃描，掃描范圍30°～100°，掃描速度為1°/min，掃描電壓/電流為40 V/40 mA.采用加拿大PROTO公司的iXRD-300 W應(yīng)力分析儀，根據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 15305—2008和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7704—2008進(jìn)行表面殘余應(yīng)力測(cè)試，拉應(yīng)力的值規(guī)定為正，壓應(yīng)力的值規(guī)定為負(fù)[13-14].根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 4340.1—2009，利用ZEISS-Observe維氏顯微硬度計(jì)對(duì)研磨后樣品的側(cè)面距研磨表面不同距離進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷500 g，加載時(shí)間15 s.

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 震動(dòng)研磨工藝對(duì)組織的影響

圖3為試驗(yàn)初始QAl10-4-4合金的典型金相組織.白色基體為α相，粒狀或者細(xì)小的灰色塊狀為K相.經(jīng)過(guò)振動(dòng)研磨處理后的樣品出現(xiàn)表層組織細(xì)化層（如圖中直線標(biāo)識(shí)處至表層的區(qū)域），并且隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，細(xì)化層的厚度逐漸增加.當(dāng)振動(dòng)研磨時(shí)間達(dá)到3 h，觀察到組織細(xì)化層的厚度超過(guò)10 μ m.

圖4為振動(dòng)研磨2 h后樣品的SEM組織觀察結(jié)果.相對(duì)未研磨的樣品，研磨后樣品表面的組織更加均勻，組織相對(duì)細(xì)小.圖5給出了兩種樣品的XRD分析結(jié)果，合金中主要由 α基體、β 和K相組成，相對(duì)于未振動(dòng)研磨樣品，經(jīng)振動(dòng)研磨（VMP-1 h）樣品的衍射峰呈現(xiàn)略寬化特征，這與表面組織的變化有直接關(guān)系.

2.2 震動(dòng)研磨工藝對(duì)材料表面性能的影響

不同振動(dòng)研磨時(shí)間下，從研磨表面至材料心部的不同深度層的硬度變化如圖6所示.從表層至心部的硬度逐漸減小直至不再變化.根據(jù)硬度的變化，可以看出，振動(dòng)研磨的硬化層深度達(dá)到20 μ m左右.相對(duì)于振動(dòng)研磨1 h的樣品，振動(dòng)研磨2 h和3 h的樣品，其硬化的效果更明顯，硬化層深度增加約20%.結(jié)合組織分析可以推測(cè)，振動(dòng)研磨后，材料表層的硬化與材料表面的組織細(xì)化有直接關(guān)系.此外，振動(dòng)研磨對(duì)QAl10-4-4合金的表面粗糙度也有重要影響.

圖7為QAl10-4-4合金的表面粗糙度隨研磨時(shí)間的變化曲線.相對(duì)于未研磨的樣品，振動(dòng)研磨后表面粗糙度都大幅下降.可見(jiàn)，振動(dòng)研磨工藝顯著改善了材料的表面性能.

2.3 表面應(yīng)力分析

不同振動(dòng)研磨時(shí)間下QAl10-4-4

合金表層殘余應(yīng)力測(cè)試結(jié)果如表2所示.振動(dòng)研磨后的樣品主要表現(xiàn)為壓應(yīng)力（應(yīng)力為負(fù)值），研磨前樣品的表面應(yīng)力主接近于0.經(jīng)振動(dòng)研磨1 h后，表層正應(yīng)力顯著增加，達(dá)到（275.7±6.2）MPa.隨著研磨時(shí)間的增加，應(yīng)力緩慢增加.相對(duì)于正應(yīng)力，經(jīng)振動(dòng)研磨處理后表面切應(yīng)力均小于10 MPa.說(shuō)明振動(dòng)研磨工藝顯著增加了樣品的表面壓應(yīng)力，但并未明顯增加切應(yīng)力.

2.4 震動(dòng)研磨工藝對(duì)耐磨性分析

圖8為QAl10-4-4合金的磨損量及摩擦因數(shù)隨振動(dòng)研磨時(shí)間的變化關(guān)系曲線.在相同的摩擦磨損測(cè)試條件下，振動(dòng)研磨明顯提高了材料摩擦因數(shù)，降低了材料的磨損損失量.并且隨著研磨時(shí)間的延長(zhǎng)，摩擦因數(shù)和磨損量逐漸降低.

圖9為未振動(dòng)研磨與振動(dòng)研磨3 h試樣的磨損面的磨損形貌.觀察發(fā)現(xiàn)，未振動(dòng)研磨處理的試樣磨

損面上存在大量的金屬分層剝落和較深犁溝.而振動(dòng)研磨處理3 h后的試樣表面的磨損形貌主要是較淺和較為致密犁溝，這說(shuō)明振動(dòng)研磨工藝顯著提高了QAl10-4-4合金的耐磨性能.

2.5 振動(dòng)研磨工藝的工程應(yīng)用效果

圖10為振動(dòng)研磨與未振動(dòng)研磨工藝在工程應(yīng)用中的數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果.通過(guò)對(duì)未研磨和研磨狀態(tài)的零件進(jìn)行工程整機(jī)測(cè)試，從綜合性能數(shù)據(jù)庫(kù)中導(dǎo)出了3年內(nèi)該系列執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)品使用兩種工藝的測(cè)試數(shù)據(jù)記錄.通過(guò)計(jì)算統(tǒng)計(jì)對(duì)比得出圖10中的數(shù)據(jù).從圖10中可以看出，振動(dòng)研磨工藝使產(chǎn)品整機(jī)負(fù)載電流下降了14.44%，輸出效率當(dāng)量增加了15.86%.此外，通過(guò)對(duì)整機(jī)傳動(dòng)效率的綜合對(duì)比，發(fā)現(xiàn)使用振動(dòng)研磨工藝處理QAl10-4-4合金蝸輪可以顯著地提高蝸輪蝸桿的傳動(dòng)效率，執(zhí)行器的蝸輪蝸桿傳動(dòng)效率提高超過(guò)20%.

3 結(jié) 論

（1） 經(jīng)振動(dòng)研磨工藝處理后的QAl10-4-4合金的表面硬度提高了約20%，并且從研磨表面至心部，硬度逐漸降低，硬化層與材料表層組織細(xì)化有直接關(guān)系.

（2） 振動(dòng)研磨處理1 h的QAl10-4-4合金表面為殘余壓應(yīng)力狀態(tài)，試樣表面應(yīng)力由原來(lái)的接近于0增加到275 MPa；當(dāng)振動(dòng)研磨處理達(dá)到2 h后，表面壓應(yīng)力增加趨于平緩.

（3） 經(jīng)振動(dòng)研磨處理后的QAl10-4-4合金表面的粗糙度明顯降低，表面摩擦因數(shù)顯著下降，耐磨性顯著提高.

（4） 工程實(shí)際應(yīng)用結(jié)果表明，使用振動(dòng)研磨工藝處理QAl10-4-4合金蝸輪提高整機(jī)的傳動(dòng)效率超過(guò)20%.

參考文獻(xiàn)：

[1] 奚小明.振動(dòng)研磨機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J].化工機(jī)械，2001，27（2）：86-87.

[2] 王宇，尹韶輝，進(jìn)村武男，等.振動(dòng)研磨材料去除機(jī)理研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2009，20（5）：533-537.

[3] 董星，段雄.噴丸強(qiáng)化機(jī)械及技術(shù)的發(fā)展[J].礦山機(jī)械，2004（7）：66-68.

[4] 李增強(qiáng)，趙佩杰，宋雨軒，等.微磨料水射流加工技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].納米技術(shù)與精密工程，2016，14（2）：134-144.

[5] 欒偉玲，涂善東.噴丸表面改性技術(shù)的研究進(jìn)展[J].中國(guó)機(jī)械工程，2005，16（15）：1405-1409.

[6] SUN H Q，SHI Y N，ZHANG M X.Wear behaviour of AZ91D magnesium alloy with a nanocrystalline surface layer[J].Surface and Coatings Technology，2008，202（13）：2859-2864.

[7] 劉剛，雍興平，盧柯.金屬材料表面納米化的研究現(xiàn)狀[J].中國(guó)表面工程，2001，14（3）：1-5.

[8] LU K，LU J.Nanostructured surface layer on metallic materials induced by surface mechanical attrition treatment[J].Materials Science and Engineering：A，2004（375/377）：38-45.

[9] 巴德瑪，馬世寧.機(jī)械加工法實(shí)現(xiàn)金屬材料表面自身納米化的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)，2006，20（11）：92-95.

[10] 羅芹，吳忠，秦真波，等.鎳鋁青銅的表面處理技術(shù)及研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào)A：綜述篇，2015，29（1）：15-21.

[11] 王智平，李海蘭，徐建林，等.固溶時(shí)效對(duì)高鋁青銅組織與性能的影響[J].鑄造，2004，53（6）：439-442.

[12] 王榮濱.鋁青銅熱處理強(qiáng)化工藝試驗(yàn)研究[J].有色金屬加工，2006，35（3）：17-19.

[13] 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).GB/T 7704—2008 無(wú)損檢測(cè) X射線應(yīng)力測(cè)定方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009.

[14] Non-destructive testing·Test method for residual stress analysis by X-ray diffraction：EN 15305：2008[S].2008.