塑性加工摩擦學(tribologyinmetalforming)

研究塑性加工過程中，工具與工件接觸表面由于相對運動而發生的一系列物理、化學、力學等變化規律的基礎科學。是金屬塑性加工的主要基礎理論之一。摩擦對金屬塑性加工過程和加工產品的質量有重要的影響。塑性加工摩擦學的基本任務是按照摩擦學的基本原理，結合塑性加工時的摩擦特點，研究塑性變形中的摩擦、磨損和潤滑問題，控制摩擦的不利方面，利用其有效方面，達到節能、降低工具消耗、不斷提高產品質量和效率。摩擦是人類生產和生活中普遍存在的現象，它既有不利的一面，也有不可缺少的一面。在塑性加工中，例如在軋制鋼錠的初軋機上，常在軋輥表面上刻痕以增加摩擦，增大咬入角便于鋼錠的咬入；而在冷軋薄板時，為了降低軋制壓力，提高表面質量和控制板形，需要將軋輥磨光甚至拋光，并加上良好的潤滑以降低摩擦。在摩擦過程中將發生一系列物理、化學和力學的變化，因而摩擦學是涉及多種學科領域的綜合性學科。但是過去這門學科的研究和發展并未得到重視，對摩擦、磨損和潤滑的研究往往是孤立地進行，因此無法全面、系統地看到它在工程中的重要性、普遍性和復雜性，也阻礙了對它進行更深入的科學研究。例如，自然界中的金屬在7000年以前就被鍛打成形，但對成形過程中潤滑劑的重要性的認識卻是相當近代的事。以下從塑性加工的幾個方面簡要敘述其摩擦和潤滑的發展概況。

摩擦和潤滑及發展歷史鍛造是問世最早的塑性加工技術、自然界中的金、銀、銅等在公元前5000年就被鍛打成薄片并制成首飾和工具。當時進行塑性冷加工時并未采用任何潤滑措施，但往往也無意中認識到某些物質的潤滑作用而加以利用。如為了制取色澤光亮的金葉而把黃金薄片置于動物毛皮問進行鍛打。公元前4000年就知道銅的退火，且熱鍛必須在退火后立即進行，因氧化銅是接觸界面良好的潤滑劑。最早出現于公元前7世紀的古銅幣就是用模具鍛壓成形的。到18世：25用鋼材制造火槍零件時，為了使其具有互換性而采用模鍛的方法，加工中使用鋸末、薄層重油或石墨與油的混合物作潤滑劑。

拉拔潤滑自公元1世紀時就開始采用，當時用鋼模拉制鉛錫合金，用橡木模拉制金、銀絲，在支撐模板上刻有溝槽來供給潤滑劑，到14世紀開始用水作潤滑。然而第一部關于拉拔潤滑的資料卻出現得很遲。比林格希歐(Biringuccio)認為，在拉拔金、銀絲時必須用新的蠟涂在其表面，這除了可使材料易于通過拉拔模外，還能使絲材表面呈現金黃光亮的色澤。18世紀在拉拔鐵絲時涂抹肥皂進行潤滑，而在歐洲北部則使用豬油，南部用菜子油，在德國拉絲中心阿爾特納(Altena)則采用橄欖油。拉拔加工中的表面處理工藝最早是在阿爾特納使用磚灰和砂子用手工進行表面清理作為拉拔前的準備工序，這種方法延續使用了幾個世紀。到17世紀才出現應用水輪機將含有細砂的高壓水對成捆的鋼條進行表面處理的工藝，清理后的表面進行拉拔時用油或脂潤滑。公元1650年左右，格德斯(J．Gerdes)發現了金屬表面處理的應用價值，即最早發現了黃化處理技術。這種方法幾乎沿用了150年之久。到19世紀中葉，酸洗、蘸石灰、烘干等才開始應用于鋼材的拉拔。濕拉工藝是使用油、乳化液或脂作潤滑，在歐洲一直沿用至今，并且還在表面鍍上一層銅(見鍍銅)或銅一錫合金。影響絲材拉拔的最新變革是1923年硬質合金模具的采用和1934年拉拔前的磷化處理。

軋制是公元15世紀首先用于鉛和金的冷加工的，到16世紀軋制窄合金帶制造貨幣。18世紀開始熱軋寬的鉛板，冷軋有色金屬板并逐步增加寬度。但是在軋制銅和銅合金時進行潤滑卻是20世紀的事，通常使用礦物油及其與動植物油或脂的混合物作潤滑劑。在20世紀盛行的鋁板的冷軋中，首次系統地對潤滑劑進行了研究，選用含少量添加劑如羊毛脂的輕質礦物油用于低速軋制時的工藝潤滑，其產生的油斑的傾向小。在同一時期低速冷軋窄帶鋼時，使用礦物油潤滑和進行水冷已足夠了。德國是最早開始生產鍍錫板的，大約在1790年前后仍然是用熱疊軋(見疊軋薄板生產)的方法生產。隨著鍍錫板需求量的不斷增長，冷軋寬鍍錫板得到發展，原來采用的以礦物油為主的潤滑劑已不能滿足要求。到1930年，提出用棕櫚油作為鍍錫板生產線上的軋制潤滑劑。這種潤滑劑從美國推廣到世界各地，直到今天仍然是人們公認的高質量潤滑劑。隨著近代高速軋制帶來的溫升問題，用乳化液作潤滑開始得到重視。

基礎理論早在公元1508年，意大利的達•芬奇(L．daVinci)對摩擦學學科的早期發展作出了較大貢獻。他首先提出了經典的摩擦理論，認為摩擦力與載荷成正比(摩擦第一定律)，而與名義接觸面積無關(摩擦第二定律)。他還提出摩擦力的大小為荷重的1／4，即摩擦系數約為0．25。1699年，法國的阿芒東(Amonton)通過實驗驗證了上述兩條摩擦定律。1780年庫侖(Coulomb)發展了摩擦理論，假設摩擦來自物理表面粗糙度和粘結力，并提出摩擦力與速度無關(摩擦第三定律)。1919～1933年，哈里(Hary)提出了對壓力加工過程有重要意義的邊界潤滑(見邊界摩擦)理論。而與干摩擦和潤滑摩擦(見液體摩擦)有關的理論研究則是在20世紀40年代。其中，粘著摩擦理論認為，兩表面的凹凸部分主要是彼此在凸起的頂部以互壓在一起的狀態相接觸，在很高的面壓作用下，兩表面壓接到分子(原子)引力作用范圍內，從而使兩表面粘著。根據這一特性，冷壓焊、雙金屬的固相復合等技術在實際生產中得到了運用。但是金屬粘著也導致摩擦加大，力能消耗增加，制品表面顯著損傷以及工具急劇磨損，使用壽命縮短等。蘇聯學者塔爾諾夫斯基在平面壓縮圓柱體試件或軋制板帶試件時，通過測量接觸面上各點摩擦應力大小及分布來研究塑性變形條件下的摩擦規律，認為：(1)塑性變形過程中接觸摩擦的大小和分布與接觸表面上金屬質點的運動學特點有關，平面壓縮時接觸表面上可能分別或同時存在粘著區、制動區以及滑動區，這些區域內質點運動學特點不同，致使摩擦特點也各不相同；(2)接觸摩擦大小及分布狀況與變形區形狀系數(圓柱體時為直徑與高度之比D／H，軋制板材時為接觸弧長與平均高度之比L／H，也稱形狀因子。)及變形程度有關，因為二者與接觸表面的更新過程與程度以及質點的運動學特點有關；(3)接觸摩擦的大小及其分布狀況還與接觸表層金屬的性質及其變化有關。因此，塑性變形條件下干摩擦的基本過程乃是表層金屬的剪切流動過程。肖(M．C．Shaw)對塑性變形中摩擦機構的見解是從測定金屬硬度的原理出發的。當鋼球壓入試件表面后，在球面下部的試件內會產生一塑性變形區。根據刻有網格的試件變化情況證明，在壓力加工時，工具與變形金屬接觸開始外力較小，只是少數凸起點的彈性接觸；隨著外力的增大，在較軟金屬內出現逐漸擴大的塑性區以至最后塑性區相互交錯，并擴及整個金屬基體，出現金屬的塑性流動。肖的這一觀點與塔爾諾夫斯基的觀點是一致的。

塑性加工中的摩擦特點及分類金屬塑性加工過程中的摩擦阻力產生于基體金屬塑性變形且沿工具表面流動的過程中，因此阻止這種流動的摩擦應力的大小與變形區中金屬所處的應力應變狀態，即變形過程的力學條件有關。此外，金屬塑性加工時承受較高的單位壓力，通常達500MPa左右，冷擠壓時單位壓力可達2500MPa，因此工具和工件之間的摩擦是在高壓下產生的，壓力越高，潤滑就越困難。而且很多塑性加工又是在高溫下進行的，例如鋼的鍛造和熱軋的溫度一般為800～1200℃，在這樣的高溫下，金屬的組織和性能要發生變化，表面也產生強烈的氧化、粘著等。這些改變了工具和工件之間的摩擦條件，給潤滑也帶來很大影響。另外，塑性加工時常常由于變形產生新的接觸面而不斷改變工件和工具之間的接觸摩擦條件，使接觸面上金屬各點的位移情況不同，有的滑動有的粘著(見滑動與粘著)。因此，塑性加工時的摩擦比一般機械摩擦要復雜得多。而且，變形的工藝條件如溫度、速度及變形程度等又苛刻多變。所以，把金屬塑性加工中摩擦的類型按接觸界面的狀態分為干摩擦、液體摩擦和邊界摩擦。干摩擦實際是指表面上沒有潤滑劑的摩擦，潤滑較困難的鐓、鍛過程、無潤滑擠壓鋁及鋁合金以及其他任何不加潤滑劑的加工過程都有可能出現干摩擦的狀態。液體摩擦是指在接觸界面上存在一層較厚的流體潤滑膜，厚度可達2～3μm，超過工具表面的不平度，摩擦發生在潤滑膜內。在高速軋制和拉拔生產時容易出現這種狀態。邊界摩擦是指由于潤滑劑對金屬表面的物理、化學吸附作用，形成一層只有幾個分子厚的邊界潤滑膜的摩擦，潤滑膜厚度在1／100～1／10μm。由于塑性加工時的摩擦條件比較特殊，理想的液體潤滑及邊界潤滑狀態較難出現。整個接觸面上為單一的摩擦潤滑狀態較少，多為混合狀態。如液體一邊界摩擦，邊界-干摩擦及液體-千摩擦等。根據高速冷軋和拉拔時測出的摩擦系數分別為0．02～0．03和0．04～0．09，較一般的邊界潤滑的摩擦系數(油脂系潤滑油為0．1～0．2，礦物油為0．2～0．3)低一個數量級，因而認為其加工過程是處于液體摩擦狀態。但是，在上述兩種加工方式下都同樣觀察到軋輥或模具上粘附金屬微粒及在潤滑油中存在散落的金屬磨損粒子。這就表明，上述的加工過程實際是處在以液體潤滑為主，并出現邊界摩擦，甚至有干摩擦的混合摩擦狀態。

摩擦界面和表面接觸塑性加工時構成摩擦偶的工具和變形工件之間由于摩擦產生了作用在接觸界面上的剪切應力，并阻礙相互運動。從純力學的觀點，界面可看作具有一定剪切強度的連續膜，它處于剛性膜和有一定屈服應力的變形工件之間。但在宏觀上，模具材料不是剛性的，其形狀會由于彈性變形而改變，若超過某一臨界載荷就會產生塑性變形甚至破壞。在微觀上，工具和工件表面顯示出微小的峰和谷，這些微觀幾何形體的尺寸大小、間距、方向等對摩擦界面的行為起著重要的作用。一定成分的工具材料表面有硬質相的耐磨微粒鑲入較軟的延性又好的基體中。工件表面由于前一工序加工過程中摩擦和不均勻變形而受到強烈的加工摩擦變形，產生的大量熱會引起材料組織性能變化，并與潤滑劑中的活性元素硫反應，引起表層化學成分的變化。由于加工表面暴露在含有水、硫、氮等元素的大氣環境和潤滑劑中，新生表面會迅速同它們形成各種反應產物(即反應膜)，并被它們覆蓋起來，而未被覆蓋的新生表面具有較強的粘著力，軋制時容易引起工件和軋輥的粘著。

為降低界面摩擦而加入的潤滑劑并非只形成簡單的惰性膜，由于潤滑劑各種組分的表面活性和反應性能將會對界面性能產生重要的影響。此外，界面溫度會由于摩擦和變形而升高到工具溫度或工件溫度以上，這將促進粘著并破壞潤滑膜，加快新生面與潤滑劑中活性物質和大氣中氧等的反應速度，而分別形成化學反應膜和氧化膜。同時界面壓力會升高并達到工件材料屈服應力的數倍，從而影響潤滑劑與工具和工件材料之間的反應。

上述各種變量的交互作用決定了潤滑機制的類型，控制了摩擦的大小及磨損和磨損速率，更重要的是控制了產品的質量。塑性加工時表面間真實接觸情況十分復雜，兩個表面首先在其微凸體高度值最大點處接觸，其真實的接觸面積只是整個表觀接觸面積的極小部分(0．01％～0．1％)。

測定真實接觸面積的方法很多，但是要直接用于金屬基體發生塑性變形的實際塑性加工過程是困難的，通常還是用幾何法進行近似計算。實際接觸表面是具有典型的微觀凸凹不平及帶有表面污染物的工藝表面。因為通過觀察無潤滑劑界面間發生的現象表明，即使僅有單分子氧或氯吸附在表面上，也會有效地降低界面的剪切強度，而絕對的干摩擦條件是不存在的。但在分析粗糙表面實際接觸情況時，常常把大氣環境所造成的氧化膜或污染膜的潤滑作用給予忽略了，把經過清洗的表面就看作干凈的無潤滑影響的干摩擦表面，以避免各種表面膜作用使問題更復雜化。具有微觀粗糙表面的凸凹不平程度用表面粗糙度來表示。

表面粗糙度的測量方法有電子、干涉或反射顯微術的光測法及斜剖和測量表面輪廓等機械測量法。接觸界面上的壓力必須仔細區分是局部微凸體壓力還是平均壓力。由于接觸面積很小，局部微凸體的壓力可以達到很高值。平均值由于接觸面積變化較大，其數值變化范圍也較大。塑性加工時，當單個微凸體發生塑性變形時，其所受應力大約為材料的屈服應力的3倍，因為未變形的基體阻礙其自由變形。隨著壓力增加，越來越多的微凸體相接觸，塑性變形開始在基體中發生，這時微凸體變形所需的壓力下降，真實接觸面積迅速增加，因此摩擦力也很快增加。

接觸界面上外摩擦對塑性加工的影響實際塑性加工過程中接觸面上的摩擦除與接觸表面的狀態(粗糙度、不同潤滑劑等)有關外，還與變形區的形狀因子密切相關，并對塑性加工過程帶來很大影響，主要表現為：(1)接觸表面上摩擦阻力的存在直接阻礙表層金屬質點的流動，使金屬變形時的實際變形抗力增大，力能消耗加大；(2)摩擦阻礙金屬的塑性流動，且隨變形區形狀因子的不同，摩擦對金屬內部質點流動的牽制作用的程度也不同，導致變形區各部分金屬變形不均勻，從而引起加工制品的組織性能不勻，降低成品率；(3)由于摩擦的存在很容易發生工具與變形金屬間的粘著，相對滑動時會出現金屬微粒的轉移，導致加工工模具的磨損加大，進而影響制品尺寸精度，并增加生產成本。

塑性加工的摩擦過程伴隨著磨損，摩擦對金屬變形又有許多不利的影響，因此，采取各種有效的潤滑措施，盡可能消除摩擦的有害影響，減少工具的磨損，提高產品質量就成為金屬塑性加工中十分重要的問題。