TiB2改善過共晶Al-18Si%合金微觀組織及切削性能的機(jī)制探索

于 宏，水 麗

(沈陽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,沈陽 110159)

過共晶鋁硅合金具有密度小、導(dǎo)熱性好、比強(qiáng)度高、耐磨損和耐腐蝕以及良好的鑄造性能等優(yōu)點(diǎn)[1]。它是汽車變速箱、摩托車發(fā)動機(jī)活塞、帶輪和泵等要求耐磨部件的理想用材，在航空、航天、精密儀器和船舶制造等[2-3]領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。鋁硅二元合金相圖顯示，硅相的結(jié)晶溫度遠(yuǎn)高于鋁基體的結(jié)晶溫度[3]，因此在結(jié)晶凝固過程中首先析出初晶硅相，初晶硅呈粗大板條狀和不規(guī)則的五角星放射狀，粗大板條狀初晶硅的出現(xiàn)嚴(yán)重割裂了材料基體的連續(xù)均勻性，使材料的切削加工性能受到嚴(yán)重影響[4-5]。因此為改善過共晶鋁硅合金的切削加工性能，變質(zhì)細(xì)化初晶硅的方法也應(yīng)運(yùn)而生。目前細(xì)化初晶硅的方法主要有添加變質(zhì)劑法、聲波振動法、電磁攪拌法和急冷法等[6]。鋁硅合金經(jīng)過細(xì)化變質(zhì)處理后，合金中的初生硅相會發(fā)生形態(tài)和尺寸的改變，分布彌散均勻，合金的硬度和耐摩擦磨損能力獲得提高。由于硬質(zhì)初晶硅顆粒與基體相(Al)截然不同的物理特性，其切削加工性較普通金屬材料更為困難，已加工表面缺陷較為嚴(yán)重，特別是隨著鋁硅合金中硅含量的增加，其難加工特性變得更加明顯，制約其優(yōu)良性能的發(fā)揮和廣泛應(yīng)用[7]。為此，采用中間合金細(xì)化初晶硅顆粒，改善合金中硅顆粒與基體相之間的變形協(xié)調(diào)性，以期提高加工表面的質(zhì)量則成為一個(gè)新的、引起廣大研究人員興趣的研究方向。但細(xì)化初晶硅對切削加工性能改善的相關(guān)文獻(xiàn)鮮有報(bào)道，本文通過制備兩組過共晶Al-18Si%鋁硅合金試樣，第一組試樣：未添加細(xì)化劑TiB2，采用常規(guī)金屬型鑄造方法制備；第二組試樣：熔體中加入0.4%的TiB2中間合金細(xì)化劑，對熔體進(jìn)行細(xì)化處理。利用金相顯微鏡進(jìn)行組織觀察，研究TiB2中間合金對初晶硅形貌、輪廓尺寸及分布狀態(tài)的影響。通過切削加工試驗(yàn)研究微觀組織結(jié)構(gòu)對合金切削加工性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料及試驗(yàn)條件

測試合金為過共晶Al-18Si%合金，采用純度為99.99%的鋁錠和99.9%工業(yè)用硅塊，按設(shè)計(jì)的成分配比熔煉合金制備樣品，為提高合金的基體強(qiáng)度，添加適量的Cu、Mg、Ti等合金化元素，合金的化學(xué)成分如表1所示。

表1 Al-18%Si試驗(yàn)合金化學(xué)成分 wt %

圖1為兩組試樣的微觀組織形貌。圖1a為第1組試樣的鑄態(tài)組織形貌，從圖中可以看出，黑顏色的初晶硅相分布在Al基體中，呈不規(guī)則五角星狀、板條狀以及其他多邊形狀，組織比較粗大，棱角銳利，共晶硅呈長針狀形態(tài)，初晶硅顆粒輪廓平均尺寸約90μm。圖1b為第2組試樣的微觀組織形貌，從圖中可以看出初晶硅相多呈四邊形狀，棱角鈍化，在基體中彌散分布，平均輪廓尺寸小于50μm；共晶硅呈短小棒狀；無粗大-Al枝晶組織，說明加入TiB2(0.4%)中間合金細(xì)化劑不但可以細(xì)化初晶硅，而且對共晶硅也有一定程度的細(xì)化作用，同時(shí)降低了枝晶組織長大的傾向。

采用Kistler三維切削力測力儀記錄銑削力數(shù)據(jù)，通過編程讀取切削力數(shù)據(jù)和輸出切削力波形曲線。為方便對比分析兩組試樣的銑削性能，兩組試樣均采用相同的銑削參數(shù)，選擇的銑削參數(shù)值及Fx、Fy、Fz結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫。刀具均采用雙刃硬質(zhì)合金YG6X銑刀，刀具前角γ為-15°，后角α為15°，螺旋角β為20°，刀具長60mm，刃長20mm。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在測試切削力過程中，考慮到刀具與工件接觸初期所產(chǎn)生的沖擊會影響切削數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此選擇刀具切入工件5s后的切削力數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。圖2、圖3、圖4為銑削過程中三維切削力的波動曲線(主軸轉(zhuǎn)速n為2500r/min,進(jìn)給量f為250mm/min)，曲線顯示主軸轉(zhuǎn)動一周時(shí)間周期內(nèi)，刀具從切入到切出切削力的幅值變化特征。圖2a為1組試樣，隨刀具旋轉(zhuǎn)切入，經(jīng)過短暫0.016s的過渡期后切削力幅值瞬間增大達(dá)到峰值；在刀刃轉(zhuǎn)出的后半周，切削力波形趨于平穩(wěn)，圍繞基線0軸小幅波動；當(dāng)?shù)诙€(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)，顯示第二個(gè)刀刃開始切入；不斷重復(fù)這個(gè)過程。圍繞基線0軸產(chǎn)生的切削力曲線波動原因是銑削過程中機(jī)床的震動、切削噪聲等產(chǎn)生的外界干擾信號。由圖2a～圖4a可知，1組試樣切削力曲線波峰處，F(xiàn)x、Fy和Fz幅值圍繞峰值持續(xù)高位跳躍，隨后逐步下降至基線0軸附近。由圖2b～圖4b可知，2組試樣切削力曲線的峰值處沒有觀察到高位跳躍現(xiàn)象，而是達(dá)到峰值后，立刻下降到基線0軸附近。對比兩組試樣切削力的幅值波動可以發(fā)現(xiàn)，1組試樣在x、y、z三維方向切削力的峰值絕對值高于2組試樣的絕對值，考慮到兩組試樣在完全相同條件下進(jìn)行銑削測試，忽略干擾信號對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，可以判斷，銑削過程中切削力曲線形態(tài)上的微觀差異及三維切削力峰值的差別是由于材料本身的微觀結(jié)構(gòu)差異引起的。未添加TiB2常規(guī)熔體處理的1組試樣，微觀組織存在不規(guī)則粗大板條狀和五角星型的硬質(zhì)初晶硅顆粒及長針狀共晶硅組織，銑刀刀刃接觸到這些硬質(zhì)點(diǎn)顆粒時(shí)會產(chǎn)生切削力幅值的變化，導(dǎo)致切削力曲線在峰值附近跳躍。而采用TiB2熔體處理后的初晶硅顆粒細(xì)化，分布彌散，共晶硅組織變?yōu)槎绦“魻?，并均勻的分布在基體中，可以近似認(rèn)為經(jīng)過TiB2細(xì)化處理后的Al-18Si %為材質(zhì)均勻的合金，在銑削過程中，切削力波形沒有出現(xiàn)明顯的鋸齒波動。證明添加TiB2中間合金進(jìn)行熔體處理，改變了合金的微觀組織形態(tài)，改善了Al-18Si % 合金銑削穩(wěn)定性。

圖1 添加TiB2前后的Al-18Si合金微觀組織形貌

圖2 切削力Fx 波動曲線

圖3 切削力Fy 波動曲線

圖4 切削力Fz 波動曲線

在Al-18Si%合金的切削過程中，切削力源于合金彈性變形和塑性變形的抗力、克服前刀面與切屑的摩擦力和后刀面與已加工表面之間的擠壓摩擦力。分析圖2、圖3、圖4可以看出，兩組試樣的Fx相對于Fy和Fz的變化規(guī)律性較強(qiáng)，因此對Fx的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，并將記錄的銑削試驗(yàn)參數(shù)和獲得的銑削力數(shù)據(jù)代入切削力的經(jīng)驗(yàn)公式[7]。

(1)

式中：Cp、λ為待定系數(shù)；B為銑削寬度；T為銑削深度；D為銑刀半徑；Z為齒數(shù)；Sz為每齒切深。對試樣1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算Cp=97.9，λ=0.48，切削力表達(dá)式為

(2)

對試樣2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算Cp=63.9，λ=0.46，切削力表達(dá)式為

(3)

參數(shù)Cp和λ的取值直接影響Fx的大小，Cp和λ的數(shù)值大小與合金的強(qiáng)度、泊松比等物理系數(shù)相關(guān)，而合金的強(qiáng)度取決于初晶硅硬顆粒形貌、輪廓尺寸及共晶硅的分布狀態(tài)。

3 TiB2熔體細(xì)化處理對刀具磨損的影響

圖5為采用YG6X刀具銑削兩組試樣后，后刀面的磨損寬度隨銑削時(shí)間的變化情況曲線。

對比兩條曲線，1組試樣的刀具磨損寬度大于2組試樣刀具的磨損寬度。說明未經(jīng)過TiB2熔體細(xì)化處理的1組試樣，初晶硅顆粒分布不均勻，初晶硅相與鋁基體的硬度差異較大；切削變形時(shí)，硬質(zhì)初晶硅顆粒易于在周邊塑性較高的基體組織中發(fā)生轉(zhuǎn)動而從基體中剝離出來(如圖6a箭頭處所示)，亦或是破碎或折斷，刮傷刀具的前刀面，一部分落入工件與后刀面之間，產(chǎn)生磨粒磨損或粘結(jié)磨損；此外，硬度不均勻，軟硬交替，引起基體撕裂，軟韌相粘接到刀具的刃部，切削時(shí)切削溫度較高(觀察切屑形態(tài)和顏色)，易于出現(xiàn)積屑瘤，增加表面粗糙度。而相比之下，2組試樣的切屑微觀組織細(xì)小(圖6b所示)，初晶硅分布彌散，沒有明顯的組織剝落和裂紋；切屑形態(tài)連續(xù)，細(xì)化的初晶硅與基體組織結(jié)合力較強(qiáng)，在切削過程中不易產(chǎn)生剝落，不易刮傷刀具和已加工表面，刀具壽命延長，表面質(zhì)量提高。

圖5 銑削1、2組試樣刀具磨損曲線

圖6 兩組試樣切屑微觀組織圖片

4 結(jié)論

(1)對Al-18Si%合金的微觀組織形貌觀察顯示，未經(jīng)細(xì)化處理的初晶硅顆粒呈放射五角星狀、板條狀以及其他多邊形狀，組織比較粗大，棱角銳利，共晶硅呈長針狀。經(jīng)過TiB2(0.4%)中間合金細(xì)化劑熔體細(xì)化處理后的合金組織，初晶硅相多呈四邊形狀，分布彌散；共晶硅呈短小棒狀，無粗大a-Al枝晶組織。說明加入TiB2不但可以細(xì)化初晶硅，而且對共晶硅也有變質(zhì)作用，同時(shí)具有抑制枝晶組織生長的效果。

(2)通過對添加和未添加TiB2(0.4%)中間合金細(xì)化劑熔體處理的兩組合金試樣進(jìn)行銑削加工試驗(yàn)，結(jié)果顯示：在相同銑削條件下，未經(jīng)TiB2細(xì)化處理的1組試樣在整個(gè)切削過程中，切削力曲線峰值變化要比經(jīng)TiB2細(xì)化處理的2組試樣大；未添加細(xì)化劑的1組試樣切削力曲線Fx、Fy和Fz幅值圍繞峰值持續(xù)高位跳躍后逐步下降，而經(jīng)過TiB2細(xì)化處理的切削力曲線變化平穩(wěn)，曲線波峰處基本沒有幅值跳躍現(xiàn)象，刀具的磨損程度下降，加工表面質(zhì)量得到明顯改善。

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