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鄭州華晶金剛石股份有限公司

金剛石印壓微孔成形機理與試驗分析

關鍵詞 金剛石|2019-10-21 09:58:29|來源 工具技術
摘要 在汽車油箱生產線的超聲波測漏設備標定技術領域,其核心的標定樣件為中心帶有微孔≤5μm的薄金屬片,屬于易耗件,需求較大。國內外主要通過超快激光技術來實現其微孔加工,但成本較高,因此研...

在汽車油箱生產線的超聲波測漏設備標定技術領域,其核心的標定樣件為中心帶有微孔≤5μm的薄金屬片,屬于易耗件,需求較大。國內外主要通過超快激光技術來實現其微孔加工,但成本較高,因此研究微孔加工技術具有重要意義。

金剛石納米印壓成孔技術是一種新的大深徑比超微孔加工方法。該技術利用金屬薄片底部硬基底的支撐效應,在金剛石壓頭納米鈍圓的沖壓作用下,使薄片底部材料側向塑流,進而實現底部微孔的成形。該方法不追求金屬薄片厚度方向上超微孔孔徑的一致性,而追求單側超微孔孔洞的實現性,因此可以實現金屬薄片上大深徑比單側超微孔成形。目前應用金剛石壓頭納米印壓成孔技術已經初步實現了微孔的加工,但對微孔成形機理尚不明確,且加工后微孔附近存在微裂紋,影響微孔質量。為了獲得良好質量、更小孔徑的微孔,必須準確地掌握印壓成孔的成形機理。為此本文基于分子動力學仿真研究金剛石納米印壓成孔過程中微孔的成形機制及材料的變形過程,對微孔附近微裂紋的產生過程進行分析,為金剛石納米印壓成孔機理研究提供了理論依據。

1  印壓微孔過程分析

金剛石納米印壓加工金屬薄片屬于壓力加工的一種工藝方法。晶粒尺寸和卸載過程直接影響微裂紋的萌生和擴展。利用自主開發的金剛石印壓微孔成形裝置在同等試驗條件下印壓加工晶粒度不同的銅片,進而分析晶粒尺寸和壓頭卸載速率對微孔成形質量的影響。試驗裝置如圖1所示。

在理論上來說,較小的圓錐角和鈍圓半徑更利于超微孔的形成,但是壓頭的圓錐角越小,其剛度和穩定性越差。因此本文選擇錐角為80°、鈍圓半徑為5.41μm的金剛石圓錐壓頭。直線電機選擇5nm分辨率的MicroE光柵尺作為閉環系統,可緊密控制壓頭的下壓量。裝置采用力、聲、光多傳感器原位檢測技術,可對銅片底部成孔時刻進行準確判斷。采用德國蔡司公司的EVO-MA25掃描電鏡對印壓后的銅片超微孔尺度和材料微觀結構損傷進行檢測;采用英國Scantron公司的Proscan 2100表面粗糙度輪廓測量儀對銅片表面輪廓進行分析。

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1.直線電機2.角度調節臺3.聲發射傳感器4.硬質玻璃基底5.工作臺6.測力儀7.金剛石圓錐壓頭8.銅片9.微視頻顯微鏡10.底座

圖1  金剛石印壓微孔成形裝置

印壓成孔中金屬材料的變形是一個由量變到質變的過程,從開始的晶內損傷、裂紋的形成、擴展與貫通,直至斷裂成孔。圖2為金剛石納米印壓模型。初始加載時,金剛石壓頭尖端接觸銅片上表面,壓頭正下方區域材料先發生彈性變形。隨著壓頭載荷的增大,材料內部應力呈線性增大。當應力超過材料屈服應力時,開始產生塑性變形。塑性變形區域材料受到錐形壓頭側向擠壓力發生側向流動,塑性變形區內材料變得更緊密,產生加工硬化。材料向下流動阻力增大,塑性變形區內部分材料被擠壓到銅片上表面,形成材料堆積。當金剛石壓頭載荷增大到臨界值時,材料內部彈性區邊界拉應力超過材料強度極限,壓頭尖端處應力高度集中,將產生垂直于材料表面的徑向裂紋。隨著壓頭壓透銅片,徑向裂紋進一步擴展,最終在銅片下表面形成微孔。

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圖2  印壓微孔模型

在卸載階段,塑性變形區域材料不再產生變形,彈性區材料向非彈性區產生彈性回復。彈性回復使二者之間相接觸區域原有應力狀態產生變化,彈性區邊界的拉應力發生改變,銅片下表面微孔尺寸收縮。非彈性區受到彈性區材料的回復力作用,產生一個拉應力反作用于彈性區材料,在銅片下表面塑性變形區邊界處形成平行于銅片下表面的橫向裂紋。圖3為微孔附近的微裂紋情況,可以看到在微孔附近存在微裂紋。微觀裂紋的產生機制尚不明確,本文借助分子動力學軟件從微觀晶體力學角度研究微裂紋的形成。

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圖3  微孔附近的微裂紋情況

2  印壓微孔過程的分子動力學模擬分析

圖4為單晶銅納米印壓成孔的分子動力學模型。模型包含銅晶體和圓錐形金剛石壓頭兩部分。工件尺寸為10nm×10nm×2nm。采用共軛梯度法進行能量最小化,并在NVE系綜弛豫獲取穩定結構。勢函數采用混合勢,碳原子之間的相互作用采用Tersoff勢,銅原子之間相互作用采用EAM勢,碳銅原子之間的相互作用采用Morse勢。采用中心對稱參數(Center-symmetry Parameter,簡記為CSP)法分析印壓成孔過程中位錯的萌生及生長過程。

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圖4  納米印壓分子動力學模型

純銅材料為面心立方體晶格,其塑性變形方式為滑移變形。圖5為印壓成孔過程壓頭的載荷—位移曲線,圖中標號a-d分別對應圖6的CSP原子位錯圖,原子的不同灰度代表不同的CSP值。結合晶體缺陷分析技術(CSP)辨別工件材料的位錯運動形式,進而解釋壓頭的載荷—位移曲線的變化。初始接觸時,晶格內原子間距離在外力作用下改變,導致晶格畸變。

如圖6a所示,工件進入塑性變形階段,壓頭下方區域晶格沿晶面向一定方向移動,產生初始位錯,并以層錯的形式表現出來,初始位錯在壓頭下方工件材料自由表面處形核并運動,導致a點處壓頭載荷下降;隨著壓深的增加,層錯逐漸累積。如圖6b所示,壓頭下方出現位錯形核,位錯形核釋放了彈性變形時累積的應變能,使壓頭載荷的降低。

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圖5  印壓載荷—位移曲線

如圖6c所示,位錯變大,層錯區域變大,壓頭下方出現一個封閉的梯形位錯。位錯連續從自由表面形核,導致壓頭載荷出現小幅振蕩。形核的位錯在不同滑移面上運動,它們相互靠近并發生交叉滑移,導致加工硬化,壓頭載荷顯著增加。新位錯的形成是由于位錯相互作用引起局部的應力集中,而位錯的增多會導致位錯作用的增強,在d點處材料達到塑性變形極限。泰勒(Taylor)認為,除最初的位錯外,增殖的位錯不能穿過晶體,而是在晶體內部相互牽制。兩個位錯相互越過所需的應力更大。所以當一列位錯在一個滑移面上受阻于晶界或其它障礙物時,若壓頭載荷達到某一臨界值,這些位錯將合并而成為斷裂核心。隨著金剛石壓頭繼續印壓并壓透銅片,壓頭載荷線形增加,壓頭尖端處位錯運動形成的微裂縫在銅片下表面斷裂成孔。圖6d微孔區域外塑性變形區內的微裂縫隨壓頭卸載部分擴展至銅片下表面,在微孔附近形成微裂紋。同時由于材料內部晶體結構不同,滑移面和滑移方向均不確定,導致微孔附近微裂紋位置的不確定性。

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(a)層錯                              (b)位錯形核

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(c)位錯生長封閉                 (d)微裂紋

圖6  材料內部缺陷結構

3  印壓微孔分析

通過印壓成孔試驗可知,隨著壓頭的繼續下壓,產生的裂紋會隨著底部成孔直徑的擴大而進一步拓展,最終影響成孔質量(見圖7)。

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(a)深小錐孔大口端及成孔表面(b)超微孔小口端及周邊裂紋

圖7  成孔質量

為了確定最佳的卸載速率,在相同進給量和材料等條件下,讓每次試驗都在剛剛出孔時刻停止,然后以不同的速率退刀。共進行了8組對比試驗,試驗結果見表1,從試驗結果確定本試驗最佳的退刀速率發生在電機轉速F=900r/min時。

表1  退刀速率對孔徑的影響

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小結

金剛石印壓微孔過程中微裂紋是應力高度集中下位錯運動受阻于晶界和其他晶內結構而產生。壓頭卸載速率和銅片晶粒的大小直接影響微孔的質量。試驗結果表明:當電機轉速F=900r/min時,卸載速率最佳;采用細晶銅可以有效抑制微裂紋的萌生和擴展,提高微孔的成形質量。

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