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AZ31B 镁合金板材温冲压用润滑介质研究
发布日期:2016-06-23  来源:上海金属  作者:罗仁平; 陶匡衡; 吴广新; 王武荣  浏览次数:823
核心提示:以AZ31B 镁合金板材为研究对象,使用了制造的试验器材———对磨销及底座,分析温冲压成形条件下4 种不同的高温固体润滑剂———氮化硼( BN) 、石墨( C) 、二硫化钼( MoS2 ) 、氟硅脂( PTFE) 的摩擦因数变化。结果表明,喷涂润滑剂后,摩擦因数由干摩擦下的0. 47左右显著降低,并且与各润滑剂的性能和喷涂量有关,随着喷涂量的增加,摩擦因数逐步降低,到一定程度时,摩擦因数降低至一稳定值。从结果看,石墨效果略优,摩擦因数在0. 11 左右; 氮化硼与二硫化钼相近,0. 14 左右; 氟硅脂最

板料冲压成型广泛运用于航天、船舶、汽车、军工国防等方面,是重要的材料成型方法。此工艺通过外部施加压力,使板材发生塑性变形或板材的一部分从母材上分离,从而得到相应的制品。为了提高工业生产效率,降低成本,制造出合格的产品,保证冲压件尺寸的精确度、表面质量,同时防止模具的摩擦磨损,延长模具的使用寿命,需要建立合理的工艺方案,采用先进的设备和模具。目前,对前述方面已有深入研究,但对冲压过程中的摩擦磨损机理和润滑剂性能没有深入研究,尤其是高温成形下的润滑剂使用,造成了一定程度上的制约。在冲压过程中存在着多种摩擦状态,有干摩擦,流体摩擦,边界摩擦,混合摩擦,这些摩擦状态在不同程度上会影响到模具使用寿命和冲压件精度,需要选用合适的润滑剂来防止这些摩擦,同时降低模具与板材间因表面的凹凸不平产生的巨大接触应力,防止冷焊现象。

液体润滑剂作为减摩减损的常用方法,存在很多限制,例如需要安装油路系统,维持相应的压力,在工程中还需防止液体泄漏等安全问题。随着工业的发展,液体润滑在很多工作环境下无法适用,例如工作温度大于350 ℃、小于- 60 ℃,真空和重载场合( 108 Pa 以上赫兹压力) ,液体润滑剂易被其他液体污染冲走的场合,腐蚀介质的工作环境要求洁净的场合( 电子、食品、医疗、造纸) 等。而固体润滑剂有较好的耐高温性和承载能力,可以适用于这些特定场合。

目前,汽车行业发展迅速,石油资源紧缺,环境污染严重,为了节能减排,减轻车身重量有助于降低油耗,减少废气排放。据研究,汽车油量的 50%是消耗在车身的重量上。镁合金作为一种环境友好型的轻金属,其密度是铝的2 /3,钢的1 /5,具有高强度、高阻尼性能、好的铸造性能、可循环利用和尺寸稳定性高等特点,所以镁合金可以广泛应用于汽车的覆盖件、行李厢等地方,尽可能降低车身重量。

本文以AZ31B 镁合金板为研究对象,由于镁合金是密排六方晶体结构,在室温下最多只有3个滑移系可以移动,塑性较差,变形困难。为了改变其塑性成形能力,需在高温下对其进行塑性变形。但是在热成型下,AZ31B 镁合金与冲模间的摩擦磨损将影响到其表面质量,造成划伤。若镁合金与模具间的摩擦因数过大,会在凸凹模间隙处产生过大拉应力,使得镁合金容易破裂。AZ31B 镁合金最佳的变形温度为250 ℃左右,在此温度下,通过高温摩擦磨损试验机模拟AZ31B 镁合金的冲压摩擦磨损过程,研究冲压用的4 种高温润滑剂———氮化硼( BN) 、二硫化钼( MoS2 ) 、石墨( C) 和氟硅脂(PTEF) ,评定这4种高温润滑剂对摩擦因数的影响,并综合工程上的实际生产要素,选出最合适的润滑剂。为延长模具使用寿命,保证镁合金表面质量,提高镁合金冲压过程中成型性能提供技术指导。

1.试验材料与过程

板材温冲压用润滑介质研究试验采用山西闻喜银光镁业集团的AZ31B 镁合金板材,厚度为1.5mm。由X 射线荧光光谱分析仪测定其具体成分,如表1 所示。从表1 可知,AZ31B 镁合金的主要成分是Mg和Al,还有少量的Zn和Mn。使用Nikon LV150 正立式金相显微镜观察显微组织,如图1所示,可见压铸后的AZ31B镁合金板材晶粒分布不均匀。

为模拟AZ31B 温成形下的摩擦性能,本文采用BrukeUMT-3 高温摩擦磨损试验机作为测试设备,设计了如图2所示的模具底座与对磨销。试验材料规格为25mm×25mm×1.5mm,将其安装到模具底座上并四周用螺钉紧固,对磨销安装到试验机内部夹具处。首先采用镁合金温冲压成形相同的工艺参数( 250℃,冲压速度1mm/s)进行无润滑下干摩擦试验,以确定合适的正向界面载荷并获得干摩擦下的摩擦因数。然后在相同的试验参数和试验条件下,进行对AZ31B 镁合金板材喷涂氮化硼、石墨、二硫化钼、氟硅脂高温润滑剂的摩擦试验,各高温润滑剂喷涂量按照等距、等压下的喷涂次数来衡定,分别喷涂1、2、3次。为保证结果的准确性,所有试验均重复3次,并根据喷涂1次的试验数据,分析了试验结果的波动性。具体试验参数如表2所示。

2 试验结果及讨论

2.1 载荷的确定

为确保对磨销与板材合理接触,防止载荷过小时导致对磨销与板材无法有效接触; 同时防止载荷过大,导致摩擦过程中局部温度升高,破坏润 滑剂性能; 防止过大载荷下对磨销将润滑剂排挤开,导致摩擦状态一直处于干摩擦或边界摩擦,无法达到流体摩擦状态。因此,先进行载荷确定试 验。无润滑条件下,分别进行3、4、5 N 的摩擦磨损试验。图3 表明4 N 载荷时,摩擦因数由3 N载荷时的0.49~0.50降低至4 N载荷时的0.46~0.48,同时镁板表面开始出现肉眼可见犁沟。因为在摩擦时,摩擦力是取决于接触区域的变形程度和接触饱和度,在实际的接触区会发生弹性变形、塑性变形,但通常情况下为弹塑性变形。在微观上是因为物体表面的粗糙度凸峰的接触,在弹性变形未饱和的状态下,载荷加大,材料的实际接触面积以指数函数的速度增加,远远大于载荷的增加速度。由于实际接触面积的增加主要依靠接触点数的增加,根据压强公式,各接触点的压强会降低,所以塑性变形减小,发生剪切时的摩擦力也减小,根据摩擦学公式f=μN(f-摩擦力、μ-摩擦系数、N-正向载荷),可以得出μ将会减小。但这种摩擦因数随载荷的增大而减小不是无限制的,摩擦因数会有一个最小值,这和材料的力学性能,表面状态和润滑条件有关。

2.2 试验的重复性校验

图4为4种润滑剂分别喷涂一次时的3次重复试验结果,用于验证试验数据的重复性。由图4(b) 、4(c)可知石墨和二硫化钼试验的重现性很好,3条摩擦因数曲线基本处于重合状态。由图4(a) 、4(d) 可知,喷涂氮化硼和氟硅脂的试验曲线初始波动在0.2~0.25及0.3~0.4之间,但稳定后所测量的摩擦因数水平也基本重合,均达到了试验重复性要求。

2.3 润滑剂性能纵向对比

为确定每种润滑剂自身对摩擦因数的影响,同时研究在不同喷涂量下,摩擦因数的变化,先进行润滑剂性能纵向对比试验。4种润滑剂(氮化硼、石墨、二硫化钼和氟硅脂) 均各喷涂1、2、3次,得出每种润滑剂在不同喷涂量下摩擦因数的变化与干摩擦状态下摩擦因数的对比,见图5。

由图5(a) 可知,喷涂氮化硼后,与裸板相比,摩擦因数明显降低,由0.47左右降低到0.20~0.25; 与喷涂1次量相比,喷涂2、3次量的时候,摩擦因数进一步降低至0.15 左右。在2、3次喷涂量的情况下,摩擦因数变化不大,为0.15 左右。喷涂石墨后(图5(b)),与裸板比,摩擦因数明显降低至0.1左右,随着喷涂量的增加,摩擦因数出现微小下降,但是多次喷涂的增幅效果不强。喷涂二硫化钼后(图5(c)),与裸板相比,摩擦因数明显降低,降低至0.15左右,但是喷涂1次时摩擦因数在0.16 附近,2次时摩擦因数在0.17 附近,3次时摩擦因数波动范围较大,在0.12 至0.15 范围内波动,可以看出二硫化钼的润滑效果不太稳定。喷涂氟硅脂后( 图5(d)),与裸板比,摩擦因数由0.47 左右降低至喷涂1次的0.38左右,可见喷涂1次的效果不佳,喷涂2、3次的效果明显变好,降低至0.25 左右。由此可见,滑动摩擦中润滑剂的减摩作用及硬基体上软质润滑剂层易于塑性变形和吸收大量机械能,保护并延缓了次表层的塑性变形和硬化速率,从而起到降低摩擦因数和减小磨损的作用。经过4种润滑剂自身的纵向对比后,因为效果最差,首先排除氟硅脂,而且氟硅脂是一种固体膏状,在实际的工程应用中极其不便。

上述试验数据表明,镁合金表面的润滑状况随润滑剂使用量而改变,由干摩擦状态转变为边界摩擦,最终可转变为流体摩擦,摩擦因数同时降低。但是降低有一定的极限,在低浓度时,随使用量的增加而降低,到达一定使用量时,形成流体摩擦状态,材料的接触面完全被固体润滑剂隔开,摩擦因数变化趋于稳定,图5反映出在喷涂量为2次及以上时达到前述状态。

2.4 润滑剂性能横向对比

排除了效果最差的氟硅脂,为确定氮化硼、石墨和二硫化钼3种固体润滑剂之间的性能差异,在相同试验参数下,对比了各润滑剂对摩擦因数的影响。图6表明,喷涂1次时,与裸板相比,摩擦因数由0.47 左右大幅度降低至0.2 和0.15左右,润滑效果不错,氮化硼在0.22左右,二硫化钼在0.16左右,石墨在0.12左右,表明在喷涂1次的情况下,石墨优于二硫化钼和氮化硼。喷涂2次时,石墨在0.10左右,氮化硼在0.15左右,二硫化钼在0.18左右,石墨优于氮化硼和二硫化钼。喷涂3次时,石墨在0.09左右,氮化硼和二硫化钼在0.15左右,石墨优于氮化硼和二硫化钼。

通过试验分析,二硫化钼(MoS2) 、石墨(C)这两种黑色润滑剂,容易污染模具环境,并且这两种固体在润滑剂内部容易沉淀,分散性不好。二硫化钼在400 ℃、石墨在450 ℃ 左右开始氧化。虽然本试验以250 ℃为试验参数,但是板料冲压过程中,局部接触面的压力极高,加上塑性变形的影响,会产生局部高温,在高温作用下二硫化钼与石墨会发生氧化生成MoS3、O2、CO2,从而导致润滑效果降低或产生危害人体健康的气体。同时,一定试验参数下,石墨的粘着效应形成的碳相摩擦层厚度是一定的,但在石墨的增加下,摩擦层的强度降低,导致摩擦层破坏,从而导致摩擦因数会不稳定。二硫化钼形成的摩擦层会因为硬质的MoS3破坏摩擦层,摩擦因数的稳定性也会遭到破坏。而氮化硼作为一种新型的无机非金属材料,白色、无毒、耐高温,在900 ℃时仍很稳定,不会对摩擦因数的稳定性产生较大的影响。

氮化硼与二硫化钼、石墨都为片状六方晶体结构,根据层状结构理论可知,润滑效果的好坏在于分子层间的键能的强弱( 范德华力) ,因为它们的结合键能都较弱,易产生滑移,所以有较强的减摩作用。但是二硫化钼与石墨分子内之间的结合力较弱,当受到了较小的剪切力时会发生破碎,这些破碎会与周围的气氛发生化学反应或进入分子层间,从而使层间的滑移阻力增加,导致滑移变困难,从而摩擦因数变大。但是氮化硼硬度高,不易被剪切力破坏,从而保持了较好的减摩性能。

2.5 喷涂润滑剂后材料的清洗效果

试验后使用蒸馏水清洗AZ31B 镁合金表面固体润滑剂,结果见图7。氮化硼容易清洗,但二硫化钼和石墨难以清洗。随后使用有机溶剂丙酮进行清洗,发现石墨能达到部分清洗,但大部分石墨还是附着在板材表面,而二硫化钼完全无法清洗。从工程上考虑,使用氮化硼润滑剂,可保证生产的冲压件容易进行低成本的表面清洗,以方便后续的焊接或者铆接操作。

3 结论

AZ31B 镁合金在250℃保温5min后,施加4N 的载荷并保压10s后,对磨销以1mm/s 的速度与喷涂润滑剂的AZ31B 镁合金板材进行摩擦,根据UTM-3 高温摩擦试验得出的摩擦因数进行纵向和横向对比数据和板材表面情况分析,可以得出结论:

(1) 试验的4 种润滑剂中石墨的效果略优于氮化硼和二硫化钼,氟硅脂最差且喷涂不方便。与裸板相比,摩擦因数由0.47左右大幅度降低, 其中喷涂石墨时摩擦因数在0.09左右,而喷涂氮化硼和二硫化钼时摩擦因数在0.15 左右。

(2) 完成试验后对喷涂润滑剂的镁板表面使用蒸馏水和丙酮清洗,氮化硼极易清洗,石墨和二硫化钼即使使用丙酮也难以清洗,附着力强,且为黑色,对板材的后续连接加工产生较大很大的影响。

(3) 价格、操作的灵活和方便性也是考虑因素。目前氮化硼零售价格约为0.2元/ML,石墨零售价格约为0.16 元/ML,二硫化钼零售价格约为0.11 元/ML。这3种润滑剂都为喷雾式,操作方便。综合以上多方面因素,推荐使用氮化硼(BN) 润滑剂。

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