壓力加工中的金屬粘著與粘著摩擦

1、3、壓力加工中的金屬粘著與粘著磨損壓力加工中的金屬粘著與粘著磨損 1 了解金屬壓力加工中的粘著概念了解金屬壓力加工中的粘著概念2 理解掌握金屬壓力加工中影響粘著因素理解掌握金屬壓力加工中影響粘著因素3 了解金屬壓力加工中金屬粘著狀況了解金屬壓力加工中金屬粘著狀況3.2 金屬性質對粘著性能的影響金屬性質對粘著性能的影響 相對滑動的金屬，特別是壓力加工中工具相對滑動的金屬，特別是壓力加工中工具與變形金屬之間發(fā)生粘著與粘附，一般要經歷與變形金屬之間發(fā)生粘著與粘附，一般要經歷如下過程：如下過程：1）邊界潤滑膜的破裂；）邊界潤滑膜的破裂；2）金屬表面氧化膜的破裂；）金屬表面氧化膜的破裂；3）新鮮基體金屬

2、的露出，以及在壓力與溫度等）新鮮基體金屬的露出，以及在壓力與溫度等條件作用下與工具表面產生金屬粘著；條件作用下與工具表面產生金屬粘著；4）由于剪切流動，出現(xiàn)粘附金屬的產生、發(fā)展）由于剪切流動，出現(xiàn)粘附金屬的產生、發(fā)展和脫落的過程；和脫落的過程；5）由于金屬粘附或粘附金屬層的脫落，損害制）由于金屬粘附或粘附金屬層的脫落，損害制品表面以及導致工具的磨損。品表面以及導致工具的磨損。 由此可見，影響工具與變形金屬間粘著的由此可見，影響工具與變形金屬間粘著的條件和因素是很復雜的。金屬粘著現(xiàn)象的產生條件和因素是很復雜的。金屬粘著現(xiàn)象的產生條件簡單歸結為：條件簡單歸結為： 臨界溫度條件；臨界膜厚條件以及熱不

3、穩(wěn)定臨界溫度條件；臨界膜厚條件以及熱不穩(wěn)定條件等。條件等。 影響粘著的因素有影響粘著的因素有：工具材料、變形金屬與潤：工具材料、變形金屬與潤滑劑的性質，金屬的表面增加率，面壓，工具滑劑的性質，金屬的表面增加率，面壓，工具與坯料的運動速度與溫度，潤滑劑導入條件，與坯料的運動速度與溫度，潤滑劑導入條件，工具與坯料相對滑移距離，變形程度，變形溫工具與坯料相對滑移距離，變形程度，變形溫度與變形速度等。度與變形速度等。 事實上，我們可以把影響金屬粘著的因素區(qū)事實上，我們可以把影響金屬粘著的因素區(qū)分為分為內部因素與外部因素內部因素與外部因素兩大類。兩大類。 對許多金屬材料進行的試驗表明，金屬對許多金屬材料

4、進行的試驗表明，金屬的本身性質對于粘著影響很大的本身性質對于粘著影響很大 。1） 晶體結構：晶體結構： 面心立方與體心立方金屬都比密排六面心立方與體心立方金屬都比密排六方金屬有較多的滑移系統(tǒng)，有利于通過方金屬有較多的滑移系統(tǒng)，有利于通過塑性粗糙化過程與相接觸表面在幾何外塑性粗糙化過程與相接觸表面在幾何外形上很好的吻合。形上很好的吻合。2）硬度：金屬越軟，越有利于這種吻合。）硬度：金屬越軟，越有利于這種吻合。因此，硬度高的金屬，表現(xiàn)出較低的粘因此，硬度高的金屬，表現(xiàn)出較低的粘著系數(shù)。著系數(shù)。3）彈性模量：彈性模量越小，硬度越低，）彈性模量：彈性模量越小，硬度越低，粘著的點由于各部分的彈性作用而被

5、拉粘著的點由于各部分的彈性作用而被拉開的可能性就越小，也就越有利于金屬開的可能性就越小，也就越有利于金屬粘著的發(fā)展。粘著的發(fā)展。4） 加工硬化系數(shù)、熔點與再結晶溫度和加工硬化系數(shù)、熔點與再結晶溫度和粘著系數(shù)密切相關，實質都是接觸界面粘著系數(shù)密切相關，實質都是接觸界面溫度所能引起的諸如擴散等動力學過程。溫度所能引起的諸如擴散等動力學過程。硬化系數(shù)大的金屬，不僅可使粘著點不硬化系數(shù)大的金屬，不僅可使粘著點不易切斷。表現(xiàn)出較強的粘著力。而且根易切斷。表現(xiàn)出較強的粘著力。而且根據(jù)物理據(jù)物理化學的觀點，這些劇烈強化的化學的觀點，這些劇烈強化的局部區(qū)域內有較高的位錯密度，即內能局部區(qū)域內有較高的位錯密度，

6、即內能較高，原子處于不穩(wěn)定的高能態(tài)。當接較高，原子處于不穩(wěn)定的高能態(tài)。當接觸界面溫度（體積、表面及局部閃發(fā)溫觸界面溫度（體積、表面及局部閃發(fā)溫度）升高時，使原子擴散運動能力增強，度）升高時，使原子擴散運動能力增強，有條件時，甚至可以穿過界面進行相互有條件時，甚至可以穿過界面進行相互擴散過程，使粘著進一步加強。擴散過程，使粘著進一步加強。5）粘著功：接觸金屬的表面能（）粘著功：接觸金屬的表面能（va、vb）越大，產生粘著所需的粘著功越大，產生粘著所需的粘著功W ab越大。越大。然而，如果兩金屬表面粘著后的界面能然而，如果兩金屬表面粘著后的界面能vab很高，則意味著所需粘著功很小。從很高，則意味著

7、所需粘著功很小。從力學角度看，表面能大表示金屬本身原力學角度看，表面能大表示金屬本身原子之間有較強的結合力，硬度越大，因子之間有較強的結合力，硬度越大，因此粘著難以發(fā)生。為此，通常采用此粘著難以發(fā)生。為此，通常采用W ab/H來衡量粘著的難易。來衡量粘著的難易。 W ab/H值與粘著系數(shù)成正比。金屬銦的值與粘著系數(shù)成正比。金屬銦的W ab/H值最大，是金屬中粘著性最強的值最大，是金屬中粘著性最強的金屬。金屬。3.3影響金屬粘著的外界因素影響金屬粘著的外界因素 討論溫度、表面氧化膜以及工具與變形金屬討論溫度、表面氧化膜以及工具與變形金屬之間配對性質對金屬粘著的影響。之間配對性質對金屬粘著的影響。

8、3.3.1 溫度溫度 接觸界面溫度對粘著的影響與金屬再結晶溫接觸界面溫度對粘著的影響與金屬再結晶溫度的高低、金屬原子的擴散過程密切相關。巖度的高低、金屬原子的擴散過程密切相關。巖田等人，用田等人，用50MPa的壓力把的壓力把10mm的碳素鋼的碳素鋼圓柱試件與圓柱試件與82mm的管件試件緊壓在一起，的管件試件緊壓在一起，測定粘著力（使兩者重新分開的法向力）隨溫測定粘著力（使兩者重新分開的法向力）隨溫度變化的情況。粘著力從度變化的情況。粘著力從700左右開始測出，左右開始測出，隨著接觸界面溫度的上升，粘著力急劇增大，隨著接觸界面溫度的上升，粘著力急劇增大，約在約在10501120時達最大值，此時的

9、粘著系時達最大值，此時的粘著系數(shù)為數(shù)為0.81.0。3.3.2 表面氧化膜表面氧化膜 主要體現(xiàn)在主要體現(xiàn)在表面氧化膜的性質以及在接觸滑移過程中被破表面氧化膜的性質以及在接觸滑移過程中被破壞清除的程度壞清除的程度。 有色金屬容易與工具表面發(fā)生金屬粘著，而鋼鐵有色金屬容易與工具表面發(fā)生金屬粘著，而鋼鐵則不然。因此，鋁銅等有色金屬可廣泛運用冷壓焊則不然。因此，鋁銅等有色金屬可廣泛運用冷壓焊技術來生產雙金屬材料。然而，試驗表明，即使在技術來生產雙金屬材料。然而，試驗表明，即使在有色金屬之中，金屬不同，使它們壓結在一起所需有色金屬之中，金屬不同，使它們壓結在一起所需軋制率也各不同，其主要原因就是由于各種

10、金屬的軋制率也各不同，其主要原因就是由于各種金屬的表面氧化膜性質不同。表面氧化膜性質不同。 由表由表3-3看出，鋁的這一比值最大，壓結（粘著）看出，鋁的這一比值最大，壓結（粘著）也就最容易。這是由于氧化物相對基體金屬越硬脆，也就最容易。這是由于氧化物相對基體金屬越硬脆，塑性變形時的剪切流動過程越易使之破碎，新鮮金塑性變形時的剪切流動過程越易使之破碎，新鮮金屬表面袒露的可能性越大，越有利于金屬間的粘著。屬表面袒露的可能性越大，越有利于金屬間的粘著。鐵與鐵同種金屬間雖然有很大的粘著力，但由于氧鐵與鐵同種金屬間雖然有很大的粘著力，但由于氧化物對基體鐵硬度比很小，表面氧化物阻止粘著的化物對基體鐵硬度比

11、很小，表面氧化物阻止粘著的作用大。所以，在軋鋼等加工過程中，金屬的粘附作用大。所以，在軋鋼等加工過程中，金屬的粘附問題倒不很突出。問題倒不很突出。3.3.3接觸金屬之間的相互作用性質接觸金屬之間的相互作用性質 配對性質的影響配對性質的影響-以接觸金屬間的固溶度或合金化能以接觸金屬間的固溶度或合金化能力來概括反映這種性質的影響。力來概括反映這種性質的影響。 由合金化理論可知，兩種金屬形成固溶體或金屬間由合金化理論可知，兩種金屬形成固溶體或金屬間化合物的能力，與金屬的晶格類型，原子半徑大小，化合物的能力，與金屬的晶格類型，原子半徑大小，電子濃度以及組元間的化合親和力等因素的影響有關。電子濃度以及組

12、元間的化合親和力等因素的影響有關。例如，在表例如，在表3-4中列出了幾種金屬在鐵中的固溶度與它中列出了幾種金屬在鐵中的固溶度與它們對鐵的粘著力情況。例如，具有較大固溶度的銅們對鐵的粘著力情況。例如，具有較大固溶度的銅鎳金屬配對時，其粘著磨損速度比幾乎不互溶的銀鎳金屬配對時，其粘著磨損速度比幾乎不互溶的銀鐵配對高出鐵配對高出500倍；鉛在鈷、鎳、鉻及鐵中的固溶度較倍；鉛在鈷、鎳、鉻及鐵中的固溶度較低，因此，機械中常用作滑動軸承的配對材料。鋁在低，因此，機械中常用作滑動軸承的配對材料。鋁在加工時對工具表現(xiàn)出極強的粘著性，工具的粘鋁現(xiàn)象加工時對工具表現(xiàn)出極強的粘著性，工具的粘鋁現(xiàn)象很嚴重（尤其在熱加

13、工時）。甚至在擠壓只含很嚴重（尤其在熱加工時）。甚至在擠壓只含410鋁的鋁青銅時，穿孔針也常出現(xiàn)嚴重粘附金屬的現(xiàn)象，鋁的鋁青銅時，穿孔針也常出現(xiàn)嚴重粘附金屬的現(xiàn)象，使管材內表面發(fā)生嚴重劃傷，并且使穿孔針壽命縮短。使管材內表面發(fā)生嚴重劃傷，并且使穿孔針壽命縮短。3.4 壓力加工中的金屬粘著磨損壓力加工中的金屬粘著磨損3.4.1 熱軋鋁及鋁合金時的軋輥粘鋁熱軋鋁及鋁合金時的軋輥粘鋁鋁及鋁合金對工具表面具有很強的粘著性，鋁及鋁合金對工具表面具有很強的粘著性，在軋制，特別是熱軋時很容易在軋輥輥在軋制，特別是熱軋時很容易在軋輥輥面上形成粘鋁層（覆面鋁）。面上形成粘鋁層（覆面鋁）。 其結果其結果，不僅使摩

14、擦加大，使熱軋坯料，不僅使摩擦加大，使熱軋坯料表面出現(xiàn)種種在冷軋或精整等后續(xù)工序表面出現(xiàn)種種在冷軋或精整等后續(xù)工序中難以消除的缺陷，以及使制品在陽極中難以消除的缺陷，以及使制品在陽極氧化處理中出現(xiàn)大量表面氧化處理中出現(xiàn)大量表面“黑斑黑斑”。 對熱軋鋁時軋輥表面粘鋁層形成機理對熱軋鋁時軋輥表面粘鋁層形成機理與過程研究表明，粘鋁層的厚度，在其與過程研究表明，粘鋁層的厚度，在其他因素不變的前提下，隨軋制道次的增他因素不變的前提下，隨軋制道次的增加，開始增加較快，而增加到一定厚度加，開始增加較快，而增加到一定厚度之后，就會出現(xiàn)動態(tài)平衡過程，即鋁微之后，就會出現(xiàn)動態(tài)平衡過程，即鋁微粒的粘附與脫落數(shù)量大體

15、相等。這一最粒的粘附與脫落數(shù)量大體相等。這一最大厚度受許多因素的影響。一般地說，大厚度受許多因素的影響。一般地說，熱軋溫度增高，道次加工率加大，軋制熱軋溫度增高，道次加工率加大，軋制純鋁或軟鋁合金以及使用形成邊界潤滑純鋁或軟鋁合金以及使用形成邊界潤滑膜性能較差的潤滑劑，都使粘鋁層增厚。膜性能較差的潤滑劑，都使粘鋁層增厚。 由于軋輥粘鋁導致的制品缺陷通常有以下三種：由于軋輥粘鋁導致的制品缺陷通常有以下三種： 粘附溝。由于坯料表面的小塊鋁粘附到輥面粘附溝。由于坯料表面的小塊鋁粘附到輥面后，遺留下來的溝槽。其大小及分布不均。這后，遺留下來的溝槽。其大小及分布不均。這種沒有夾雜臟物的溝槽，在后續(xù)軋制過

16、程中，種沒有夾雜臟物的溝槽，在后續(xù)軋制過程中，由于表層金屬延伸而可能被掩蓋，以致這種缺由于表層金屬延伸而可能被掩蓋，以致這種缺陷只有在進行蝕洗或陽極氧化時才能顯露。陷只有在進行蝕洗或陽極氧化時才能顯露。 壓入粘附缺陷。出現(xiàn)在粘鋁層不穩(wěn)定的時候，壓入粘附缺陷。出現(xiàn)在粘鋁層不穩(wěn)定的時候，被剝落的粘附顆?；卣车脚髁媳砻?，并被壓入被剝落的粘附顆粒回粘到坯料表面，并被壓入表層。在陽極氧化時，由于氧化鋁的絕緣性，表層。在陽極氧化時，由于氧化鋁的絕緣性，而形成而形成“黑斑黑斑”。 壓痕缺陷。在軋輥表面形成厚度不均的粘鋁壓痕缺陷。在軋輥表面形成厚度不均的粘鋁層時，這種不規(guī)則的外形會壓印到坯料表面，層時，這種不

17、規(guī)則的外形會壓印到坯料表面，形成較圓滑的凹坑或壓痕。這種缺陷在冷軋時形成較圓滑的凹坑或壓痕。這種缺陷在冷軋時易于消除，對產品表面質量影響不大。易于消除，對產品表面質量影響不大。3.4.2 鋁材擠壓時的模具粘鋁鋁材擠壓時的模具粘鋁擠壓變形方式與軋制及拉拔等工藝比較，其主要擠壓變形方式與軋制及拉拔等工藝比較，其主要特點是特點是(1) 變形金屬處于強烈的三向壓應力狀態(tài)，產生變形金屬處于強烈的三向壓應力狀態(tài)，產生二向壓縮二向壓縮向延伸的變形，且其延伸系數(shù)一向延伸的變形，且其延伸系數(shù)一般都在般都在10以上（斷面收縮率大于以上（斷面收縮率大于90）。）。(2) 在擠壓鋁及鋁合金時，金屬與擠壓筒壁、模在擠壓

18、鋁及鋁合金時，金屬與擠壓筒壁、模具及穿孔針表面，在無潤滑、高溫及高壓條具及穿孔針表面，在無潤滑、高溫及高壓條件下，存在較長的連續(xù)接觸時間。因而，工件下，存在較長的連續(xù)接觸時間。因而，工具與坯料之間的粘著作用顯得更為突出。具與坯料之間的粘著作用顯得更為突出。(3) ?？妆砻?、擠壓筒臂及穿孔針表面嚴重粘鋁，?？妆砻?、擠壓筒臂及穿孔針表面嚴重粘鋁，使它們與變形金屬之間的摩擦變成同種金屬使它們與變形金屬之間的摩擦變成同種金屬間的摩擦，結果使擠壓制品表面嚴重劃傷。間的摩擦，結果使擠壓制品表面嚴重劃傷。 3.4.3 壓力加工中的金屬粘著磨損壓力加工中的金屬粘著磨損 按其磨損機理分為：粘著磨損；磨料磨損；表

19、面疲勞按其磨損機理分為：粘著磨損；磨料磨損；表面疲勞磨損；腐蝕及微動磨損磨損；腐蝕及微動磨損等。在金屬壓力加工過程中，等。在金屬壓力加工過程中，據(jù)其工作條件主要出現(xiàn)粘著磨損形成，即可運用前述據(jù)其工作條件主要出現(xiàn)粘著磨損形成，即可運用前述金屬粘著理論，來解釋這一過程中的磨損現(xiàn)象。金屬粘著理論，來解釋這一過程中的磨損現(xiàn)象。 根據(jù)粘著磨損模型，不難得出表示粘著磨損的宏觀規(guī)根據(jù)粘著磨損模型，不難得出表示粘著磨損的宏觀規(guī)律為律為 式中式中 W體積磨損總量；體積磨損總量； L相對滑動距離；相對滑動距離； N作用在接觸面上的法向載荷作用在接觸面上的法向載荷 較軟材料的屈服壓應力較軟材料的屈服壓應力 K反映真

20、實接觸點產生粘著磨損顆粒的幾率，反映真實接觸點產生粘著磨損顆粒的幾率，是與摩擦偶材料性質有關的參數(shù)，如果真實接觸點在是與摩擦偶材料性質有關的參數(shù)，如果真實接觸點在滑動過程中，每接觸一次就產生磨損顆粒，則滑動過程中，每接觸一次就產生磨損顆粒，則K1。 由上式可看出，體積磨損量正比于法向載荷，與名義由上式可看出，體積磨損量正比于法向載荷，與名義接觸面積無關。此即通常所稱的磨損定律。接觸面積無關。此即通常所稱的磨損定律。3.4.4 工模具材質的選擇工模具材質的選擇 在金屬壓力加工中可能運用的工模具材在金屬壓力加工中可能運用的工模具材料大致可區(qū)分為四類：鑄鐵、鋼、硬質料大致可區(qū)分為四類：鑄鐵、鋼、硬質

21、合金以及其他材料。合金以及其他材料。 表表3-7中列出了各類材料的名稱、大體成中列出了各類材料的名稱、大體成分及特性等。表分及特性等。表3-8中列出鋼中較常出現(xiàn)中列出鋼中較常出現(xiàn)的一些碳化物的維氏硬度值。的一些碳化物的維氏硬度值。就提高工模具的就提高工模具的抗粘著及耐磨性抗粘著及耐磨性而言，而言，大體可朝高含碳量與高合金化的方向發(fā)展，大體可朝高含碳量與高合金化的方向發(fā)展，使其組織中的碳化物量增加，分布更加彌使其組織中的碳化物量增加，分布更加彌散；在鑄鐵材料中，由于灰口鑄鐵中呈片散；在鑄鐵材料中，由于灰口鑄鐵中呈片狀分布的石墨的潤滑作用，使灰口鑄鐵有狀分布的石墨的潤滑作用，使灰口鑄鐵有利于減少工

22、具與金屬間的粘著；硬質合金利于減少工具與金屬間的粘著；硬質合金應注意控制鈷含量（應注意控制鈷含量（520），因為隨鈷），因為隨鈷含量的增加，硬質合金的耐磨性與抗粘著含量的增加，硬質合金的耐磨性與抗粘著性能降低。深入研究模具鋼模具的使用性性能降低。深入研究模具鋼模具的使用性能表明，模具的性能往往通過能表明，模具的性能往往通過硬度硬度來評價，來評價，而硬度又是由而硬度又是由碳化物和金屬基體碳化物和金屬基體兩者共同兩者共同決定的。決定的。 碳化物的硬度是不變的（表碳化物的硬度是不變的（表3-8），但），但基體硬度卻隨其組織狀態(tài)而改變。模具的基體硬度卻隨其組織狀態(tài)而改變。模具的抗金屬粘著性能主要與基體

23、有關，而耐磨抗金屬粘著性能主要與基體有關，而耐磨性主要與碳化物有關。碳化物對耐磨性的性主要與碳化物有關。碳化物對耐磨性的影響，除與本身的硬度有關外，還與其顆影響，除與本身的硬度有關外，還與其顆粒大小，分布及形態(tài)有關。鐵的碳化物硬粒大小，分布及形態(tài)有關。鐵的碳化物硬度要比鎢、鉬、鈦及釩等合金元素所形成度要比鎢、鉬、鈦及釩等合金元素所形成的碳化物硬度小，所以合金模具鋼的耐磨的碳化物硬度小，所以合金模具鋼的耐磨性要更好些。而且，當所有碳化物呈細小性要更好些。而且，當所有碳化物呈細小球狀（直徑球狀（直徑0.71m）及彌散分布時。其）及彌散分布時。其耐磨性更好。為此，模具鋼必須進行球化耐磨性更好。為此，

24、模具鋼必須進行球化處理。處理。3.8 工模具的表面處理工模具的表面處理 工模具表面處理可分為工模具表面處理可分為表面硬化、表面強化以表面硬化、表面強化以及表面潤滑化處理三種及表面潤滑化處理三種。為了提高耐磨性，可。為了提高耐磨性，可進行表面硬化熱處理；而為了提高抗粘著性能，進行表面硬化熱處理；而為了提高抗粘著性能，可進行表面潤滑化或表面強化處理?？蛇M行表面潤滑化或表面強化處理。 表面硬化處理就是在工模具基體表面上形成一表面硬化處理就是在工模具基體表面上形成一層硬的碳化物或其他硬金屬層。工業(yè)上采用的層硬的碳化物或其他硬金屬層。工業(yè)上采用的具體方法有：滲透硬化法，氣相沉積法，噴鍍具體方法有：滲透硬化法，氣相沉積法，噴鍍及電鍍等方法。表面強化處理則以金屬基體為及電鍍等方法。表面強化處理則以金屬基體為對象而進行強化處理，具體有氮化處理等。在對象而進行強化處理，具體有氮化處理等。在機械中用得較多的表面潤滑處理，就是在零部機械中用得較多的表面潤滑處理，就是在零部件表面滲硫，使摩擦系數(shù)減小而表現(xiàn)出潤滑性件表面滲硫，使摩擦系數(shù)減小而表現(xiàn)出潤滑性的處理，并被認為是防止它們之間產生金屬粘的