1、3、压力加工中的金属粘着与粘着磨损压力加工中的金属粘着与粘着磨损 1 了解金属压力加工中的粘着概念了解金属压力加工中的粘着概念2 理解掌握金属压力加工中影响粘着因素理解掌握金属压力加工中影响粘着因素3 了解金属压力加工中金属粘着状况了解金属压力加工中金属粘着状况3.2 金属性质对粘着性能的影响金属性质对粘着性能的影响 相对滑动的金属，特别是压力加工中工具相对滑动的金属，特别是压力加工中工具与变形金属之间发生粘着与粘附，一般要经历与变形金属之间发生粘着与粘附，一般要经历如下过程：如下过程：1）边界润滑膜的破裂；）边界润滑膜的破裂；2）金属表面氧化膜的破裂；）金属表面氧化膜的破裂；3）新鲜基体金属
2、的露出，以及在压力与温度等）新鲜基体金属的露出，以及在压力与温度等条件作用下与工具表面产生金属粘着；条件作用下与工具表面产生金属粘着；4）由于剪切流动，出现粘附金属的产生、发展）由于剪切流动，出现粘附金属的产生、发展和脱落的过程；和脱落的过程；5）由于金属粘附或粘附金属层的脱落，损害制）由于金属粘附或粘附金属层的脱落，损害制品表面以及导致工具的磨损。品表面以及导致工具的磨损。由此可见，影响工具与变形金属间粘着的由此可见，影响工具与变形金属间粘着的条件和因素是很复杂的。金属粘着现象的产生条件和因素是很复杂的。金属粘着现象的产生条件简单归结为：条件简单归结为：临界温度条件；临界膜厚条件以及热不稳定
3、临界温度条件；临界膜厚条件以及热不稳定条件等。条件等。影响粘着的因素有影响粘着的因素有：工具材料、变形金属与润：工具材料、变形金属与润滑剂的性质，金属的表面增加率，面压，工具滑剂的性质，金属的表面增加率，面压，工具与坯料的运动速度与温度，润滑剂导入条件，与坯料的运动速度与温度，润滑剂导入条件，工具与坯料相对滑移距离，变形程度，变形温工具与坯料相对滑移距离，变形程度，变形温度与变形速度等。度与变形速度等。事实上，我们可以把影响金属粘着的因素区事实上，我们可以把影响金属粘着的因素区分为分为内部因素与外部因素内部因素与外部因素两大类。两大类。对许多金属材料进行的试验表明，金属对许多金属材料进行的试验
4、表明，金属的本身性质对于粘着影响很大的本身性质对于粘着影响很大。1）晶体结构：晶体结构：面心立方与体心立方金属都比密排六面心立方与体心立方金属都比密排六方金属有较多的滑移系统，有利于通过方金属有较多的滑移系统，有利于通过塑性粗糙化过程与相接触表面在几何外塑性粗糙化过程与相接触表面在几何外形上很好的吻合。形上很好的吻合。2）硬度：金属越软，越有利于这种吻合。）硬度：金属越软，越有利于这种吻合。因此，硬度高的金属，表现出较低的粘因此，硬度高的金属，表现出较低的粘着系数。着系数。3）弹性模量：弹性模量越小，硬度越低，）弹性模量：弹性模量越小，硬度越低，粘着的点由于各部分的弹性作用而被拉粘着的点由于各
5、部分的弹性作用而被拉开的可能性就越小，也就越有利于金属开的可能性就越小，也就越有利于金属粘着的发展。粘着的发展。4）加工硬化系数、熔点与再结晶温度和加工硬化系数、熔点与再结晶温度和粘着系数密切相关，实质都是接触界面粘着系数密切相关，实质都是接触界面温度所能引起的诸如扩散等动力学过程。温度所能引起的诸如扩散等动力学过程。硬化系数大的金属，不仅可使粘着点不硬化系数大的金属，不仅可使粘着点不易切断。表现出较强的粘着力。而且根易切断。表现出较强的粘着力。而且根据物理据物理化学的观点，这些剧烈强化的化学的观点，这些剧烈强化的局部区域内有较高的位错密度，即内能局部区域内有较高的位错密度，即内能较高，原子处
6、于不稳定的高能态。当接较高，原子处于不稳定的高能态。当接触界面温度（体积、表面及局部闪发温触界面温度（体积、表面及局部闪发温度）升高时，使原子扩散运动能力增强，度）升高时，使原子扩散运动能力增强，有条件时，甚至可以穿过界面进行相互有条件时，甚至可以穿过界面进行相互扩散过程，使粘着进一步加强。扩散过程，使粘着进一步加强。5）粘着功：接触金属的表面能（）粘着功：接触金属的表面能（va、vb）越大，产生粘着所需的粘着功越大，产生粘着所需的粘着功W ab越大。越大。然而，如果两金属表面粘着后的界面能然而，如果两金属表面粘着后的界面能vab很高，则意味着所需粘着功很小。从很高，则意味着所需粘着功很小。从
7、力学角度看，表面能大表示金属本身原力学角度看，表面能大表示金属本身原子之间有较强的结合力，硬度越大，因子之间有较强的结合力，硬度越大，因此粘着难以发生。为此，通常采用此粘着难以发生。为此，通常采用W ab/H来衡量粘着的难易。来衡量粘着的难易。W ab/H值与粘着系数成正比。金属铟的值与粘着系数成正比。金属铟的W ab/H值最大，是金属中粘着性最强的值最大，是金属中粘着性最强的金属。金属。3.3影响金属粘着的外界因素影响金属粘着的外界因素 讨论温度、表面氧化膜以及工具与变形金属讨论温度、表面氧化膜以及工具与变形金属之间配对性质对金属粘着的影响。之间配对性质对金属粘着的影响。3.3.1 温度温度
8、 接触界面温度对粘着的影响与金属再结晶温接触界面温度对粘着的影响与金属再结晶温度的高低、金属原子的扩散过程密切相关。岩度的高低、金属原子的扩散过程密切相关。岩田等人，用田等人，用50MPa的压力把的压力把10mm的碳素钢的碳素钢圆柱试件与圆柱试件与82mm的管件试件紧压在一起，的管件试件紧压在一起，测定粘着力（使两者重新分开的法向力）随温测定粘着力（使两者重新分开的法向力）随温度变化的情况。粘着力从度变化的情况。粘着力从700左右开始测出，左右开始测出，随着接触界面温度的上升，粘着力急剧增大，随着接触界面温度的上升，粘着力急剧增大，约在约在10501120时达最大值，此时的粘着系时达最大值，此
9、时的粘着系数为数为0.81.0。3.3.2 表面氧化膜表面氧化膜 主要体现在主要体现在表面氧化膜的性质以及在接触滑移过程中被破表面氧化膜的性质以及在接触滑移过程中被破坏清除的程度坏清除的程度。有色金属容易与工具表面发生金属粘着，而钢铁有色金属容易与工具表面发生金属粘着，而钢铁则不然。因此，铝铜等有色金属可广泛运用冷压焊则不然。因此，铝铜等有色金属可广泛运用冷压焊技术来生产双金属材料。然而，试验表明，即使在技术来生产双金属材料。然而，试验表明，即使在有色金属之中，金属不同，使它们压结在一起所需有色金属之中，金属不同，使它们压结在一起所需轧制率也各不同，其主要原因就是由于各种金属的轧制率也各不同，
10、其主要原因就是由于各种金属的表面氧化膜性质不同。表面氧化膜性质不同。由表由表3-3看出，铝的这一比值最大，压结（粘着）看出，铝的这一比值最大，压结（粘着）也就最容易。这是由于氧化物相对基体金属越硬脆，也就最容易。这是由于氧化物相对基体金属越硬脆，塑性变形时的剪切流动过程越易使之破碎，新鲜金塑性变形时的剪切流动过程越易使之破碎，新鲜金属表面袒露的可能性越大，越有利于金属间的粘着。属表面袒露的可能性越大，越有利于金属间的粘着。铁与铁同种金属间虽然有很大的粘着力，但由于氧铁与铁同种金属间虽然有很大的粘着力，但由于氧化物对基体铁硬度比很小，表面氧化物阻止粘着的化物对基体铁硬度比很小，表面氧化物阻止粘着
11、的作用大。所以，在轧钢等加工过程中，金属的粘附作用大。所以，在轧钢等加工过程中，金属的粘附问题倒不很突出。问题倒不很突出。3.3.3接触金属之间的相互作用性质接触金属之间的相互作用性质 配对性质的影响配对性质的影响-以接触金属间的固溶度或合金化能以接触金属间的固溶度或合金化能力来概括反映这种性质的影响。力来概括反映这种性质的影响。由合金化理论可知，两种金属形成固溶体或金属间由合金化理论可知，两种金属形成固溶体或金属间化合物的能力，与金属的晶格类型，原子半径大小，化合物的能力，与金属的晶格类型，原子半径大小，电子浓度以及组元间的化合亲和力等因素的影响有关。电子浓度以及组元间的化合亲和力等因素的影
12、响有关。例如，在表例如，在表3-4中列出了几种金属在铁中的固溶度与它中列出了几种金属在铁中的固溶度与它们对铁的粘着力情况。例如，具有较大固溶度的铜们对铁的粘着力情况。例如，具有较大固溶度的铜镍金属配对时，其粘着磨损速度比几乎不互溶的银镍金属配对时，其粘着磨损速度比几乎不互溶的银铁配对高出铁配对高出500倍；铅在钴、镍、铬及铁中的固溶度较倍；铅在钴、镍、铬及铁中的固溶度较低，因此，机械中常用作滑动轴承的配对材料。铝在低，因此，机械中常用作滑动轴承的配对材料。铝在加工时对工具表现出极强的粘着性，工具的粘铝现象加工时对工具表现出极强的粘着性，工具的粘铝现象很严重（尤其在热加工时）。甚至在挤压只含很严
13、重（尤其在热加工时）。甚至在挤压只含410铝的铝青铜时，穿孔针也常出现严重粘附金属的现象，铝的铝青铜时，穿孔针也常出现严重粘附金属的现象，使管材内表面发生严重划伤，并且使穿孔针寿命缩短。使管材内表面发生严重划伤，并且使穿孔针寿命缩短。3.4 压力加工中的金属粘着磨损压力加工中的金属粘着磨损3.4.1 热轧铝及铝合金时的轧辊粘铝热轧铝及铝合金时的轧辊粘铝铝及铝合金对工具表面具有很强的粘着性，铝及铝合金对工具表面具有很强的粘着性，在轧制，特别是热轧时很容易在轧辊辊在轧制，特别是热轧时很容易在轧辊辊面上形成粘铝层（覆面铝）。面上形成粘铝层（覆面铝）。其结果其结果，不仅使摩擦加大，使热轧坯料，不仅使摩
14、擦加大，使热轧坯料表面出现种种在冷轧或精整等后续工序表面出现种种在冷轧或精整等后续工序中难以消除的缺陷，以及使制品在阳极中难以消除的缺陷，以及使制品在阳极氧化处理中出现大量表面氧化处理中出现大量表面“黑斑黑斑”。对热轧铝时轧辊表面粘铝层形成机理对热轧铝时轧辊表面粘铝层形成机理与过程研究表明，粘铝层的厚度，在其与过程研究表明，粘铝层的厚度，在其他因素不变的前提下，随轧制道次的增他因素不变的前提下，随轧制道次的增加，开始增加较快，而增加到一定厚度加，开始增加较快，而增加到一定厚度之后，就会出现动态平衡过程，即铝微之后，就会出现动态平衡过程，即铝微粒的粘附与脱落数量大体相等。这一最粒的粘附与脱落数量
15、大体相等。这一最大厚度受许多因素的影响。一般地说，大厚度受许多因素的影响。一般地说，热轧温度增高，道次加工率加大，轧制热轧温度增高，道次加工率加大，轧制纯铝或软铝合金以及使用形成边界润滑纯铝或软铝合金以及使用形成边界润滑膜性能较差的润滑剂，都使粘铝层增厚。膜性能较差的润滑剂，都使粘铝层增厚。由于轧辊粘铝导致的制品缺陷通常有以下三种：由于轧辊粘铝导致的制品缺陷通常有以下三种：粘附沟。由于坯料表面的小块铝粘附到辊面粘附沟。由于坯料表面的小块铝粘附到辊面后，遗留下来的沟槽。其大小及分布不均。这后，遗留下来的沟槽。其大小及分布不均。这种没有夹杂脏物的沟槽，在后续轧制过程中，种没有夹杂脏物的沟槽，在后续
16、轧制过程中，由于表层金属延伸而可能被掩盖，以致这种缺由于表层金属延伸而可能被掩盖，以致这种缺陷只有在进行蚀洗或阳极氧化时才能显露。陷只有在进行蚀洗或阳极氧化时才能显露。压入粘附缺陷。出现在粘铝层不稳定的时候，压入粘附缺陷。出现在粘铝层不稳定的时候，被剥落的粘附颗粒回粘到坯料表面，并被压入被剥落的粘附颗粒回粘到坯料表面，并被压入表层。在阳极氧化时，由于氧化铝的绝缘性，表层。在阳极氧化时，由于氧化铝的绝缘性，而形成而形成“黑斑黑斑”。压痕缺陷。在轧辊表面形成厚度不均的粘铝压痕缺陷。在轧辊表面形成厚度不均的粘铝层时，这种不规则的外形会压印到坯料表面，层时，这种不规则的外形会压印到坯料表面，形成较圆滑
17、的凹坑或压痕。这种缺陷在冷轧时形成较圆滑的凹坑或压痕。这种缺陷在冷轧时易于消除，对产品表面质量影响不大。易于消除，对产品表面质量影响不大。3.4.2 铝材挤压时的模具粘铝铝材挤压时的模具粘铝挤压变形方式与轧制及拉拔等工艺比较，其主要挤压变形方式与轧制及拉拔等工艺比较，其主要特点是特点是(1)变形金属处于强烈的三向压应力状态，产生变形金属处于强烈的三向压应力状态，产生二向压缩二向压缩向延伸的变形，且其延伸系数一向延伸的变形，且其延伸系数一般都在般都在10以上（断面收缩率大于以上（断面收缩率大于90）。）。(2)在挤压铝及铝合金时，金属与挤压筒壁、模在挤压铝及铝合金时，金属与挤压筒壁、模具及穿孔针
18、表面，在无润滑、高温及高压条具及穿孔针表面，在无润滑、高温及高压条件下，存在较长的连续接触时间。因而，工件下，存在较长的连续接触时间。因而，工具与坯料之间的粘着作用显得更为突出。具与坯料之间的粘着作用显得更为突出。(3)模孔表面、挤压筒臂及穿孔针表面严重粘铝，模孔表面、挤压筒臂及穿孔针表面严重粘铝，使它们与变形金属之间的摩擦变成同种金属使它们与变形金属之间的摩擦变成同种金属间的摩擦，结果使挤压制品表面严重划伤。间的摩擦，结果使挤压制品表面严重划伤。3.4.3 压力加工中的金属粘着磨损压力加工中的金属粘着磨损 按其磨损机理分为：粘着磨损；磨料磨损；表面疲劳按其磨损机理分为：粘着磨损；磨料磨损；表
19、面疲劳磨损；腐蚀及微动磨损磨损；腐蚀及微动磨损等。在金属压力加工过程中，等。在金属压力加工过程中，据其工作条件主要出现粘着磨损形成，即可运用前述据其工作条件主要出现粘着磨损形成，即可运用前述金属粘着理论，来解释这一过程中的磨损现象。金属粘着理论，来解释这一过程中的磨损现象。根据粘着磨损模型，不难得出表示粘着磨损的宏观规根据粘着磨损模型，不难得出表示粘着磨损的宏观规律为律为 式中式中 W体积磨损总量；体积磨损总量；L相对滑动距离；相对滑动距离；N作用在接触面上的法向载荷作用在接触面上的法向载荷 较软材料的屈服压应力较软材料的屈服压应力 K反映真实接触点产生粘着磨损颗粒的几率，反映真实接触点产生粘
20、着磨损颗粒的几率，是与摩擦偶材料性质有关的参数，如果真实接触点在是与摩擦偶材料性质有关的参数，如果真实接触点在滑动过程中，每接触一次就产生磨损颗粒，则滑动过程中，每接触一次就产生磨损颗粒，则K1。由上式可看出，体积磨损量正比于法向载荷，与名义由上式可看出，体积磨损量正比于法向载荷，与名义接触面积无关。此即通常所称的磨损定律。接触面积无关。此即通常所称的磨损定律。3.4.4 工模具材质的选择工模具材质的选择 在金属压力加工中可能运用的工模具材在金属压力加工中可能运用的工模具材料大致可区分为四类：铸铁、钢、硬质料大致可区分为四类：铸铁、钢、硬质合金以及其他材料。合金以及其他材料。表表3-7中列出了
21、各类材料的名称、大体成中列出了各类材料的名称、大体成分及特性等。表分及特性等。表3-8中列出钢中较常出现中列出钢中较常出现的一些碳化物的维氏硬度值。的一些碳化物的维氏硬度值。就提高工模具的就提高工模具的抗粘着及耐磨性抗粘着及耐磨性而言，而言，大体可朝高含碳量与高合金化的方向发展，大体可朝高含碳量与高合金化的方向发展，使其组织中的碳化物量增加，分布更加弥使其组织中的碳化物量增加，分布更加弥散；在铸铁材料中，由于灰口铸铁中呈片散；在铸铁材料中，由于灰口铸铁中呈片状分布的石墨的润滑作用，使灰口铸铁有状分布的石墨的润滑作用，使灰口铸铁有利于减少工具与金属间的粘着；硬质合金利于减少工具与金属间的粘着；硬
22、质合金应注意控制钴含量（应注意控制钴含量（520），因为随钴），因为随钴含量的增加，硬质合金的耐磨性与抗粘着含量的增加，硬质合金的耐磨性与抗粘着性能降低。深入研究模具钢模具的使用性性能降低。深入研究模具钢模具的使用性能表明，模具的性能往往通过能表明，模具的性能往往通过硬度硬度来评价，来评价，而硬度又是由而硬度又是由碳化物和金属基体碳化物和金属基体两者共同两者共同决定的。决定的。碳化物的硬度是不变的（表碳化物的硬度是不变的（表3-8），但），但基体硬度却随其组织状态而改变。模具的基体硬度却随其组织状态而改变。模具的抗金属粘着性能主要与基体有关，而耐磨抗金属粘着性能主要与基体有关，而耐磨性主要与碳
23、化物有关。碳化物对耐磨性的性主要与碳化物有关。碳化物对耐磨性的影响，除与本身的硬度有关外，还与其颗影响，除与本身的硬度有关外，还与其颗粒大小，分布及形态有关。铁的碳化物硬粒大小，分布及形态有关。铁的碳化物硬度要比钨、钼、钛及钒等合金元素所形成度要比钨、钼、钛及钒等合金元素所形成的碳化物硬度小，所以合金模具钢的耐磨的碳化物硬度小，所以合金模具钢的耐磨性要更好些。而且，当所有碳化物呈细小性要更好些。而且，当所有碳化物呈细小球状（直径球状（直径0.71m）及弥散分布时。其）及弥散分布时。其耐磨性更好。为此，模具钢必须进行球化耐磨性更好。为此，模具钢必须进行球化处理。处理。3.8 工模具的表面处理工模
24、具的表面处理 工模具表面处理可分为工模具表面处理可分为表面硬化、表面强化以表面硬化、表面强化以及表面润滑化处理三种及表面润滑化处理三种。为了提高耐磨性，可。为了提高耐磨性，可进行表面硬化热处理；而为了提高抗粘着性能，进行表面硬化热处理；而为了提高抗粘着性能，可进行表面润滑化或表面强化处理。可进行表面润滑化或表面强化处理。表面硬化处理就是在工模具基体表面上形成一表面硬化处理就是在工模具基体表面上形成一层硬的碳化物或其他硬金属层。工业上采用的层硬的碳化物或其他硬金属层。工业上采用的具体方法有：渗透硬化法，气相沉积法，喷镀具体方法有：渗透硬化法，气相沉积法，喷镀及电镀等方法。表面强化处理则以金属基体
25、为及电镀等方法。表面强化处理则以金属基体为对象而进行强化处理，具体有氮化处理等。在对象而进行强化处理，具体有氮化处理等。在机械中用得较多的表面润滑处理，就是在零部机械中用得较多的表面润滑处理，就是在零部件表面渗硫，使摩擦系数减小而表现出润滑性件表面渗硫，使摩擦系数减小而表现出润滑性的处理，并被认为是防止它们之间产生金属粘的处理，并被认为是防止它们之间产生金属粘着的最合适的方法。着的最合适的方法。3.8 工模具的表面处理工模具的表面处理 工模具表面处理可分为表面硬化、表面强化以工模具表面处理可分为表面硬化、表面强化以及表面润滑化处理三种。为了提高耐磨性，可及表面润滑化处理三种。为了提高耐磨性，可
26、进行表面硬化热处理；而为了提高抗粘着性能，进行表面硬化热处理；而为了提高抗粘着性能，可进行表面润滑化或表面强化处理。可进行表面润滑化或表面强化处理。表面硬化处理就是在工模具基体表面上形成一表面硬化处理就是在工模具基体表面上形成一层硬的碳化物或其他硬金属层。工业上采用的层硬的碳化物或其他硬金属层。工业上采用的具体方法有：渗透硬化法，气相沉积法，喷镀具体方法有：渗透硬化法，气相沉积法，喷镀及电镀等方法。表面强化处理则以金属基体为及电镀等方法。表面强化处理则以金属基体为对象而进行强化处理，具体有氮化处理等。在对象而进行强化处理，具体有氮化处理等。在机械中用得较多的表面润滑处理，就是在零部机械中用得较
27、多的表面润滑处理，就是在零部件表面渗硫，使摩擦系数减小而表现出润滑性件表面渗硫，使摩擦系数减小而表现出润滑性的处理，并被认为是防止它们之间产生金属粘的处理，并被认为是防止它们之间产生金属粘着的最合适的方法。着的最合适的方法。国内铜铝材挤压生产实践表面，对国内铜铝材挤压生产实践表面，对3Cr2W8V挤压模子进行辉光离子氮化处挤压模子进行辉光离子氮化处理，从而提高了表面硬度、耐磨性及耐理，从而提高了表面硬度、耐磨性及耐热疲劳性能，使模子的使用寿命提高热疲劳性能，使模子的使用寿命提高1.52.0倍。同时，还由于抗金属粘着性倍。同时，还由于抗金属粘着性能提高，减轻了模子粘附变形金属的程能提高，减轻了模子粘附变形金属的程度，从而提高制品的表面质量。这一事度，从而提高制品的表面质量。这一事实也充分说明了表面处理方法带来的影实也充分说明了表面处理方法带来的影响。响。
