静压力对超声滚压铍铜合金表面完整性的影响

引言

模具的工作环境极为恶劣，不仅要承受高温高压、急速熔融液体的冲击，而且要经受频繁的急冷急热及开模过程中模具构件间的反复摩擦，极易产生热疲劳失效、热断裂、热熔及表面磨损、涂层脱落等问题。随着工业现代化进程的一步步推进，模具行业产品质量要求越来越高，模具需要在高自动化和恶劣工况下长期稳定的工作，这就必然对模具表面的硬度、耐磨、抗蚀等性能有了更高的要求。

铍铜合金作为一种可铸可锻的过饱和固溶体有色合金，经固溶处理和人工时效后，可以得到很高的弹性极限和屈服强度，被公认为“有色弹性材料之王”，此外，铍铜合金的熔点较高，晶体结构稳定，具有良好的导电性，国内外许多高校和模具生产厂商在探索替代传统模具材料的过程中发现，铍铜合金能够有效满足许多高温、高压和特殊结构模具的工业需求，可以作为一种优良的模具材料。模具成型过程中，除了对模具材料本身性能的要求外，对表面粗糙度、硬度等表面特性也有较高的要求，因此，利用表面工程技术来改善模具的表面性能，对于提高其服役周期和可靠性，节约材料和能源具有重要意义。

近年来，为了提高材料的表面性能，延长材料的使用寿命，国内外学者提出了多种表面强化技术，包括超声喷丸加工、超声冲击处理、和超声滚压等。其中，超声滚压是一种新型绿色表面形变强化技术，往复的强化处理使得材料表面受力均匀，塑性变形层加深，晶粒组织细化。同时，加工过程中所产生的塑性流动将材料表层的“波峰”填入“波谷”，降低了表面粗糙度，提高了显微硬度，并在工件表层引入了有益的残余压应力，对于提高材料的耐磨、抗蚀及抗疲劳等性能具有积极的作用。超声滚压加工中，不同的工艺参数会产生不同的加工效果，它们之间相互制约，相互影响，因此对加工过程中的工艺参数进行优化，进而提高材料的表面完整性显得至关重要。相关研究表明:压下量0.12mm的7075铝合金试样显微硬度达到119HV0.2，相较于精车试样提高了约15%，但当压下量过大时，试样表面的加工硬化效果减弱，硬度变化不明显。滚压速率为6000mm/min的Ti6Al4V试样可以获得更好的表面质量，有效抑制了疲劳裂纹的萌生，但滚压速率逐渐增大时，材料表面会变得粗糙;残余压应力随滚压次数的增加而增加，滚压次数为12次时，40Cr表层残余压应力可以达到－970MPa，与未处理试样相比提高了近两倍。目前对超声滚压表面改性铍铜合金的研究鲜有报道，特别是工艺参数对材料表面完整性的影响，选择最优的参数对材料表面进行强化处理能够获得较好的表层特性，有效提高零部件使用性能。静压力作为重要的工艺参数之一，对加工质量有着重要影响。

本文利用超声滚压表面改性技术对C17200铍铜合金进行强化处理，将静压力作为单一变量，通过对试样的表面形貌、表面粗糙度、表面硬度、残余应力和微观组织结构等表征分析，深入研究静压力对铍铜合金表面完整性的影响，为实际应用生产提供依据。

1试验材料与方法

1.1试验材料与尺寸

试验材料为模具制造业中常见的C17200铍铜合金，其化学成分如表1，常用力学性能如表2所示。将原材料铣削加工成长、宽、高为25mm×25mm×15mm的立方体试样。铣削试样称为未处理试样，表面粗糙度为0.992μm。

表1


C17200铍铜合金化学成分

表2


C17200铍铜合金力学性能

1.2试验方法

试验装置采用HK30G型号华云豪克能超声滚压设备和科德数控KMC600U五轴立式加工中心，如图1所示，滚压工具头选择直径为14mm的硬质合金球。对铣削后的铍铜合金试样进行超声滚压处理，选择滚压速率为500mm/min，步距为0.1mm，压下量为0.08mm，强化次数为3次，供应电流为0.6A，超声频率为22kHz，保持其余参数不变，仅改变静压力为0.1MPa、0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa、0.6MPa、0.7MPa、0.8MPa。

1.3表征与分析

使用TR-200型触针式表面粗糙度测试仪对不同静压力试样的表面粗糙度Ra随机量取5次，并对5次测量值取平均值作为试样的表面粗糙度。在QUANTA250型扫描电子显微镜(SEM)下观察试样的表面形貌。使用THR-150DX高级数显洛氏硬度计测量处理前后试样的表面硬度，在试样的水平方向上随机选取3个等效点进行洛氏硬度测量，保荷时间持续5s，最后求取3点的平均值作为试样的洛氏硬度。依次使用180目、400目、800目、1500目碳化硅砂纸进行打磨，再经P-2型金相抛光机抛光，至试样表面无划痕，随后用氯化铁盐酸溶液进行腐蚀、风干，在MV5000型金相显微镜下观察试样的表面微观组织。采用EMPYREAN型多功能X射线多晶衍射仪测量试样的表面残余应力和XRD衍射图谱，Cu靶辐射，管电压40kV，管电流45mA，采用同倾固定ψ法。

图1


超声滚压装置示意图

图2


静压力对铍铜合金试样表面粗糙度的影响

2结果与讨论

2.1表面粗糙度及表面形貌

表面粗糙度是评价工程部件表面质量的一个重要因素，与表面几何形貌有关，影响着零部件的疲劳强度、摩擦磨损性能等。图2为不同静压力下超声滚压试样的表面粗糙度。由图可知，当静压力较小时，适当增加静压力能够提高材料的塑性变形程度，这将有利于减少材料表层缺陷的数量，使得材料表面质量得到改善。随着静压力的增大，试样的表面粗糙度显著减小，静压力为0.3MPa时，表面粗糙度最小，Ra=0.091μm，相较于未处理试样下降了90.8%。静压力对材料表面粗糙度的影响较大，静压力从0.4MPa增加到0.8MPa，表面粗糙度也随之增大，这是由于较大的静压力下，超声滚压系统的负载变大，使得加工过程变得不稳定，材料表面出现不均匀的塑性变形，从而影响了材料表面质量。此外，静压力过大时，工具头与加工试样之间会产生轻微的附着力，使得减磨作用变弱，对材料表面造成损伤。

图3为不同静压力下铍铜合金试样的表面形貌。其中，图3a为未处理试样表面形貌，从图中可以看出铣削刀痕密集，表面缺陷较多，极不平整。图3b为静压力0.1MPa试样的表面形貌，铣削留下的痕迹经超声滚压表面改性后在一定程度上有所减少，但由于静压力较小，铣削留下的刀痕并未完全消除，仍存在部分缺陷，不过相较于未处理试样，表面质量得到了很大改善。图3c为静压力为0.3MPa试样的表面形貌，与前两张图相比可以明显看出，相对于未处理试样，铣削刀痕消失不见，形成了连续、平整、均匀的表面。超声滚压工具头以静态挤压和动态冲击耦合的方式对材料表面进行强化，材料表面受到工具头的超高频冲击后产生一定的塑性金属流动，使微观形貌上的波峰挤压变形填充波谷，从而有效降低了材料的表面粗糙度。图3d为静压力为0.8MPa试样的表面形貌，可以看到材料表面被冲挤出“波浪状”纹理，说明过大的静压力会对材料表面造成损伤，产生挤压裂纹。

图3


不同静压力下铍铜合金试样表面形貌

2.2表面硬度

硬度作为衡量材料对塑性变形抗力的重要指标，影响着材料的力学性能。表面硬度的提高，可以增强材料应对外界损伤的能力，对于延长零部件的使用寿命非常有利。不同静压力所对应的表面硬度值如图4所示，未处理试样表面硬度平均值为36.5HRC。

图4


静压力对铍铜合金试样表面硬度的影响

从图4可以看出，超声滚压试样的表面硬度明显高于未处理试样(图4中“0”代表未处理试样），并且在一定静压力范围内，强化试样的表面硬度随着静压力的增加而增加。静压力较小时，超声滚压的强化效果并不明显，0.5MPa试样的表面硬度达到最大43.3HRC，与未处理试样相比提高了18.6%。然而，静压力过大时，工具头对材料表面的冲击能升高，材料表层塑性变形区受到的挤压增强，当塑性变形不能被工具头挤压平整时，就会造成金属的片状剥离，影响材料的表面硬度。根据Hall-Petch关系可知，材料的硬度与其晶粒尺寸有关。因此，试样表层的晶粒组织结构在静态挤压和动态冲击的作用下得到细化，形成高硬度的表面层是可以预期的。此外，超声滚压处理过程中产生的高频冲击载荷增加了位错密度，使得试样表面产生了更高程度的加工硬化，也是其硬度提高的原因之一。

2.3残余应力

机械构件制造加工时，材料局部区域形成的不均匀塑性变形，往往会引起残余应力的产生。残余应力的存在能够改善材料的平均应力大小，构件中存在残余拉应力时，所受到的平均应力会增加，容易造成应力集中，影响材料的使用性能;而当存在残余压应力时，则会抵消掉一部分拉应力，降低所受的平均应力，从而提高材料的强度。适当的残余应力可以成为零件强化的因素，影响着材料的疲劳强度、脆性破坏和应力腐蚀开裂等。因此，如果能将残余压应力转移至应力集中区域或者材料表面，对于提高材料的使用性能非常有利。

测量不同静压力下超声滚压试样的表面残余应力，结果如图5所示。从图中可知，未处理试样表面存在残余拉应力，主要是由铣削过程中的切削力所引起，拉应力的存在对于材料的疲劳强度、抗脆断能力有着较大影响，甚至会导致构件提前失效。经超声滚压表面改性后，材料表面均引入了较大的残余压应力，并且随着静压力的增加，试样表面的残余压应力逐渐提高，静压力为0.7MPa时，强化试样表面的残余压应力达到最大。其主要原因是，超声滚压表面改性过程中，材料表面在工具头的高频冲击下产生强烈塑性变形，表层晶粒组织被破碎细化，发生晶格畸变，晶粒组织沿深度方向呈梯度分布。同时，动、静态的挤压冲击使得表层组织发生塑性延展，但次表层组织仍处于弹性应变状态，表层致密的塑性变形层阻止了次表层的变形回弹，从而在材料表层预置了一定的残余压应力，这对于改善铍铜合金的使用性能具有积极作用。

图5


不同静压力下铍铜合金试样表面残余应力

2.4微观组织结构及XRD图谱

图6超声滚压前后试样的表层微观组织

图6为超声滚压强化前后试样的微观组织结构，从图中可以看出，未处理试样的晶粒尺寸较大，晶粒之间较为疏松，而0.5MPa试样表面晶粒呈随机分布，原始粗大晶粒转变成微小的颗粒状，原本清晰可见的晶界被破坏甚至隐没，晶界之间变得模糊难以区分，同时能够观察到一定的流线型组织，这对于提高材料的硬度及强度很有帮助。材料的表层晶粒组织在超声滚压的强化作用下，通过位错和滑移产生一定的塑性变形，并且随着静压力的增加，塑性变形逐渐加剧，由于位错运动及位错间的交互作用，位错分布变得不再均匀，晶粒破碎程度随之上升，表层晶粒组织得到细化，晶界强化效应增强。

图7未处理试样与0.5MPa超声滚压试样的XRD衍射图谱

图7为超声滚压强化试样与未处理试样的XRD衍射图谱对比，从图中可以看出，两组试样的XRD衍射峰位置在处理前后没有明显的变化，说明超声滚压强化后没有新相的生成，这与微观组织结构的观察结果一致。与未处理试样相比，超声滚压试样的衍射峰强度明显增加，说明试样在强烈塑性变形过程中基面滑移系统较为活跃，使得材料表层晶粒取向和织构发生转变。衍射峰强度的增加表明超声滚压的处理使试样表面出现了较为显著的加工硬化现象。另外，可以发现强化后试样的衍射峰与未处理试样相比明显变宽，其主要原因与超声滚压过程中材料表面粗晶粒细化为小尺寸晶粒以及晶格微应变增大有关［20］。

3结论

超声滚压是一种可以有效提高C17200铍铜合金表面完整性的形变强化技术，通过以上的研究与分析，得出以下结论:

静压力与表面粗糙度呈非线性关系，随着静压力的增大，表面粗糙度先减小后增加，在本文试验参数范围内，超声滚压试样的表面粗糙度均小于未处理试样。静压力在0.2MPa～0.4MPa时能获得较好的表面质量，0.3MPa时试样的表面粗糙度值最小，仅0.091μm，相较于未处理试样降低90.8%。

超声滚压过程中产生的塑性应变引起材料表面的加工硬化和晶粒细化是硬度提高的主要原因。静压力为0.5MPa时，表面硬度可以达到43.3HRC，相较于未处理试样提高了18.6%。静压力过大时，会破坏超声滚压试样的表面硬化层。

超声滚压的处理使材料表面的残余拉应力转变为残余压应力，并随着静压力的增加，试样表面的残余压应力逐渐升高。

超声滚压表面改性后的试样表层晶粒组织得到细化，晶界强化效应增强。

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研究表明，适中的静压力能显著提高铍铜合金表面硬度，减少粗糙度，并改善耐磨性。然而，过高或过低的压力会影响效果，因此需要优化静压力参数以获得最佳表面处理效果。合理的静压力还能促使表面形成均匀致密的显微结构，进一步提升材料的整体性能。