CN101925428B - 铝表面的机加工 - Google Patents

Abstract

可以在含氢气的气氛内在一定分压下使用金刚石或类金刚石碳表面包覆工具来机加工铝工件，所述分压能有效地使得氢与表面的碳原子反应从而形成C-H键来阻止铝粘附于工具表面。适当地，氢气或含氢气体混合物被限制在机加工场地的工具和工件的界面处。可以通过计算或实验来为工具-工件机加工温度组合确定氢气分压。

Description

铝表面的机加工

技术领域

本公开内容涉及使用带有去除材料的硬质碳表面的机加工工具对铝工件表面进行的机加工。更具体地，本公开内容涉及这样的机加工操作，其中氢气气氛被用于减少铝粘附到碳工具或碳包覆工具表面以及用于最小化或避免使用机加工液体。

背景技术

铝合金工件，特别是铸件，被用于制造多种制造产品。例如在汽车工业中，许多发动机和变速器部件、底盘部件、车体部件和内部部件是由含硅铝合金铸件制成。使用砂型铸造、永久模铸造、高压压铸和消失模工艺将许多这样的部件(例如发动机本体、气缸盖、曲轴箱、变速箱等)首先形成为铸件。使用这些铸造工艺，部件的许多表面仍需要机加工成落入极紧密公差内的特定尺寸。

铝合金319(“AA319”)是用于形成许多上述部件的铸造形状的铝合金示例。按重量计，AA319的代表性名义成分是5.5-6.5％硅、不多于大约1％的铁、3-4％铜、约0.5％锰、约0.1％镁、约0.35％镍、1-3％锌、约0.25％钛和余量基本为铝。硅含量有助于熔融合金的流动性来浇注复杂铸件形状。不过硅，有时候是其他合金元素，会在主要铝基体内形成第二相，而这倾向于磨损机加工工具。

发动机和变速器铸件例如会需要精密机加工过程，例如铣、钻、珩磨和铰孔。在这些机加工过程中，铸件被仔细地定位在固定设备内，并且由操作者或计算机控制的机械工具所承载和提供动力的切削工具切削铸造表面来去除工件金属的碎屑从而使得表面符合特定修整质量和尺寸。用于去除金属的工具可以由硬质材料制成，特别是接合工件的工具表面。例如，工具可以由工具钢成分或由包含碳化钨的烧结成分或类似物制成。有时，工具的切削表面可以被涂覆有硬质碳材料，例如多晶金刚石或类金刚石碳。

铝及其合金倾向于粘附工具表面，这可能在金属成形操作(例如轧制、锻、铸、挤压和机加工)中造成巨大困难。铝具有3-6nm厚的自然氧化物层，在成形过程中这些自然氧化物层被局部破坏，从而暴露出高度化学反应性的初生铝金属。一旦破坏了氧化物层，总的粘附物开始转移到工具表面将可能：使得过程不稳定并且可能威胁变形过程的成功。

在常规金属去除操作中，可以使用机加工液体(水基或油基)来淹没机加工表面以便冷却和润滑切削工具冲击的区域。润滑剂通过最小化工具和机加工表面之间的粘附来促进切削。最终，机加工液体必须从机加工区域排走以便回收过程和重复使用或者以便处理掉。

可以通过使用硬质材料层涂覆工具的接触区域来提高用于切削或以其他方式机加工工件的工具的耐磨性。对于这些工具而言合适的硬质涂层材料通常包括碳，碳的常见示例是金刚石、硬质碳以及sp²和sp³杂化无定形碳的各种混合物形式。

湿式或干式机加工过程可以被用于使用硬质包覆工具机加工工件。使用湿式机加工过程的缺点例如包括执行湿式机加工过程具有相对高的成本，并且在一些情况下，缺点在于与使用冷却剂或其他机加工流体潜在地相关的环境影响。干式机加工过程，特别是对于机加工软金属，例如铝合金，例如会导致铝合金工件粘附于工具表面，从而缩短工具的使用寿命。

本发明的目标在于提供在不使用这样的机加工液体的情况下机加工铝合金工件(例如铸件)的方法。根据本发明这样的实践被定义为“干式机加工”。

发明内容

本发明的实施例包括使用具有硬质碳表面的机加工工具。硬质碳表面可以例如包括结合的多晶金刚石颗粒、化学气相沉积(CVD)金刚石涂层或者类金刚石碳成分的涂层。正是在机加工工具上的这个硬质碳材料表面来接合铝合金工件表面并咬入表面内，从而从工件去除铝材料碎屑或颗粒。因此，这些工具表面将含碳面呈现于主要是铝的表面。

在含金刚石的工具面的情况下，碳原子大量结合成sp³碳-碳键。在类金刚石碳工具面的情况下，表面通常包括硬质碳颗粒，其中原子大量结合成sp²和sp³型碳-碳键的混合物且具有或没有氢含量。虽然这些工具表面是硬的并且当从工件去除铝碎屑时抗断裂，不过铝还是粘附于碳工具表面并且损坏工具或部件或精整表面，特别是在真空或惰性气体环境中。迄今为止，通过使用机加工流体来修正这样的工具或工件损坏。

根据本发明的实施例，使用适当的含氢气体气氛来淹没、浸没或以其他方式覆盖工具的碳表面和铝工件表面之间的界面。许多碳涂层起初在顶表面处被氢终止，不过它们在机加工过程中受到破坏，并且带有悬空键的暴露碳原子非常活跃地附着于铝。遮覆气氛会在碳工具表面上施加适当的氢气分压以便与表面碳原子发生化学反应。氢气压力也用于保持完全氢化的碳表面以防止附着于铝并且减小工具和工件之间的摩擦。可以使用比最小值更高的氢气压力。在适当的氢气分压下，氢气在工具表面与碳原子反应并且提供具有完全氢化碳特征的工具表面。氢化碳表面防止与铝工件结合，使得可以在没有其他润滑的情况下进行机加工。

在实现本发明的示例中，铝合金工件被引到机加工工作台，其使用具有硬质碳表面来去除金属的切削或机加工工具。在优选实施例中，机加工界面具有用于至少工具和工件表面的罩。氢气或含氢气体(例如氢气和氮气或氢气和氦气的混合物)被传输到罩，以便至少工具-工件接合表面被遮覆并暴露于适当氢气分压以便在机加工开始前由硬质碳工具材料吸收氢。机加工操作期间由始至终在机加工界面处保持氢气气氛。在完成对工件的预定机加工时，之后从机加工场地移除被加工工件。利用氢气或含氢气氛在工作台处可以连续地机加工这样的工件。

所需氢气分压可以根据在特定铝或铝合金工件上的特定机加工操作而改变。并且适当的氢气分压也是工作场地温度的函数，特别是硬质碳工具表面的温度的函数。在本说明中下文将提供与氢气分压随工具或机加工环境温度的变化有关的信息。氢可以以不同的气体成分范围被传送到工作场地，所述范围从基本纯氢气到氢气与其他气体(例如空气或氮气或惰性气体)的混合物。

当然环境空气可以存在于工作场地处或附近，并且必须注意围绕工作场地意外形成可燃氢气-空气混合物的可能性。在本说明中下文也提供了关于这种混合物的信息。

如上所述，机加工周围可以具有适当的罩以便将含氢气体传送到场地，以便在场地处保持所需的氢气分压，并且如果必要，以便去除被污染或以其他方式不适于在场地进一步使用的氢气。应该认识到，可以存在许多不同方法来根据本发明在机加工操作处使用氢气。

从下述优选实施例的详细说明中可以更加显而易见到本发明的这些和其他目标和优点。

附图说明

图1是用于在金刚石(111)表面上形成氢化表面的氢气的平衡分压(P_H2，帕斯卡(Pa))与温度(K)的关系视图，其中氢气的分压是温度的函数：

其中μ(T)＝(53.65T-1.66×10^-3T²-27.37TlnT)×104×10^-5-0.0483，并且其中T是以开尔文(K)为单位的绝对温度。

图2是氢气-空气混合物中氢气含量的爆炸上限和下限的视图。随着氢气-空气混合物的总压力(P_tot)(帕斯卡)的变化绘制了用于在300K时在金刚石(111)表面上形成氢化表面的所需氢气分压(P_H2)(帕斯卡)。图2中的灰色区域示出的氢气分压低于与空气的可燃混合物同时仍提供适当的氢气分压以便在大约室温下与金刚石(111)表面反应。

具体实施方式

本发明可应用于例如为汽车应用制造大体积的铝合金部件。车辆发动机和变速器部件是这种部件的示例。许多部件是由含有研磨性微观结构组成的铝硅基铸造合金制成。许多汽车铸件需要一些机加工来产生符合形状和/或尺寸规格的表面。机加工需要使用高质量且昂贵的切削工具，例如钻、铰刀以及铣削和珩磨工具。迄今为止，机加工也需要使用机加工流体以便保护部件和工具以及去除机械碎屑。需要严格管理机加工实践以便生产具有良好的工具寿命和相关机加工成本管理的高质量铸造部件。

根据本发明的实施例，带有硬质碳机加工表面的机加工工具与铝合金工件之间的机加工界面被保持在氢气气氛或含有预定氢含量的气氛中。在一个实施例中，在机加工操作期间，包含围绕工具和工件界面的气氛。罩可以具有多于一个的腔以便允许工件朝向和离开机加工场地运动。工件进入腔和去除腔(例如在机加工操作腔的上游和下游)可以具有补充机加工腔的氢气含量的气体成分。机加工腔的氢气含量提供了足以在硬质碳工具表面上形成并保持保护性氢化涂层的氢气分压。

在本发明的实施例中，所需氢气成分可以通过分析或实验被预先确定以便为机加工期间被机加工的合金成分、为硬质碳工具成分以及为各成分遇到的温度提供所需氢气分压。例如，可以参考图1(以及相关等式)来为机加工温度或温度范围选择所需氢气分压P_H2。在本文中下面将示出确定氢气分压的示例。根据需要在机加工操作期间可以自始至终监控机加工腔内的气体含量，以便在碳面工具上保持适当的氢化表面。

在一个实施例中，预测了在干式机加工铝时用于最小化金刚石或类金刚石碳包覆工具表面处的摩擦的氢气分压范围。金刚石由具有sp³键的纯的长程碳原子结晶结构(通常是立方结晶结构)构成。通常，类金刚石碳(DLC)材料是使用sp²和sp³键连接的碳原子的更无定形的混合团簇。在氢化DLC中，氢原子结合于一些碳原子。

试验已经证明适当的氢气气氛可以减小摩擦。销盘式机器(其中固定销接触旋转盘)可以被用于分析磨损和摩擦。当发生磨损时测量摩擦系数，并且可以通过称重或测量最终磨损痕迹来确定从旋转盘去除的材料的量。进行了在未氢化类金刚石碳(DLC)包覆盘上的铝销的销盘式摩擦试验，并且在高的氢气压力下显示出了极低的摩擦。在氢氦混合气氛中未氢化DLC包覆(＜2原子％H)盘压抵铝合金319销来运行。当在100％氢气气氛中未氢化DLC包覆(＜2原子％H)盘滑过AA319销时实现了最低的磨损量和最低的摩擦系数值(0.015)。在氢气中没有观察到材料从铝销迁移到未氢化DLC涂层表面的迹象。

如果使用未氢化DLC包覆工具(例如钻)并且氢气被供给到切削区域，则可以对铝硅合金部件进行干式机加工。因为主要是由铝和DLC内带有不饱和sp键(有时被称作术语“悬空键”)的碳原子之间形成的强键而导致了DLC和铝之间的粘附，所以非重构金刚石表面可以被用作未氢化DLC的模型表面。氢分子(H₂)将在金刚石工具表面解离成氢基(H^*)，并且之后通过与表面反应形成C-H键来钝化表面。为了模拟在氢气中铝原子和DLC涂层之间的粘附和粘性迁移，计算了Al/H终结的金刚石界面处的理想粘附功。在Al/C-H终结的金刚石界面处计算(使用密度泛函理论)的理想分离功是0.008mJ/m²，其数量级小于Al的减聚功1.56J/m²。这意味着Al在适当氢气环境中不会粘于-H终结的金刚石表面或粘于DLC涂层。相比之下，铝与无氢的钝化金刚石表面的理想分离功是4.08J/m²，大于Al的减聚功(1.56J/m²)。因此，当铝接触无氢的钝化金刚石表面时，其将迁移到金刚石表面。

氢化反应的方向对于工具表面的温度和气相的分压非常敏感。在金刚石和DLC表面处发生的摩擦学化学反应将随环境改变，并且因而改变摩擦和磨损行为。因此，确定了基于表面反应的平衡状态的氢边界与H₂的分压及温度之间的关系。通过结合第一原理建模和热力学计算，计算出导致铝/金刚石界面处的低摩擦的平衡氢气分压。之后，预测了在较广范围的潜在机加工温度情况下使用DLC和金刚石包覆工具对铝进行干式机加工的安全操作含氢气氛窗口。

图1是示出了氢基与多晶金刚石面工具内的金刚石颗粒的(111)晶面边界内的暴露碳原子反应时从200K至1000K情况下H₂的计算平衡分压。使用下述等式可以计算在任意给定温度下用于实现低摩擦的分压：

$p_{H2}=e^{\frac{-0.68875-\mathrm{\μ}\left(T\right)}{8.62\×{10}^{-5}T}}\×1.01\×{10}^5\mathrm{Pa},$

并且μ(T)＝(53.65T-1.66×10^-3T²-27.37TlnT)×1.04×10^-5-0.0483，并且其中T是以开尔文(K)为单位的绝对温度。大体而言，这个计算值将是实现低摩擦的最低氢气分压。可以使用更大的氢气压力。在一些机加工实施例中，氢气可以与适当的不反应稀释气体相混合，例如氩、氦或氮。在其他实施例中，氢气可以与适当比例的空气相混合。

在图1中标出了预测的高摩擦和低摩擦区域。方形指示出在室温下在未氢化DLC上已进行的摩擦试验，并且三角形是在150℃下氢化DLC(H含量：34原子％)上进行的摩擦试验。被填充符号是实验观察的高摩擦(～0.8)。无填充符号是实验观察的低摩擦(～0.01)。在金刚石界面上CVD金刚石处的预测高摩擦(0.6～1.0)也与由实心三角所代表的测试条件重叠。

参考图1，当氢气分压(P_H2)大于平衡压力时，优选完全钝化的金刚石/DLC表面，因为期望低的或极低的摩擦。当P_H2小于平衡压力时，在金刚石表面处的氢原子将从表面释放，因此在金刚石/DLC表面处暴露出悬空键，从而导致了更高的摩擦。图1示出了平衡分压随温度增加而增加。其大部分以指数方式随温度增加，特别是在低于400K的温度下。这意味着需要更多的氢来保持更高温度下金刚石表面上的氢覆盖。例如，在室温或低于室温时，平衡分压不超过1Pa；而在大约520K时，需要1标准大气压的氢来保持氢在金刚石(111)表面上的完全覆盖。因此，通过增加氢气分压以增加涂层内的氢含量，或者通过减小温度，可以在完全氢钝化金刚石/DLC表面处实现极低摩擦。平衡压力将测试环境(分压和温度)分为两个区域：对应低或极低摩擦的完全钝化金刚石/DLC表面；以及具有导致强粘附和高摩擦的悬空键的金刚石或DLC表面。当测试条件从一个区域变化到另一个区域时观察到摩擦性能的显著改变，并且这些实验被总结在图1中。

虽然模型是基于金刚石(111)表面的，不过通过良好符合如图1所示的模型和各种实验数据可以证实其准确符合且通用于所有碳基表面。因此，上述计算和实验为干式机加工铝工件时在DLC/Al界面处应用和利用氢气或含氢气氛提供了基础。

图1的平衡分压数据(及相关等式)示出了低于1个标准大气压的氢气分压适于在相对低温下在铝工件的干式机加工中用于金刚石/Al界面或DLC/Al界面。数据表明可以使用纯氢气或使用含氢气体混合物(例如氢和氮)来浸没机加工界面以便为机加工操作获得并保持适当的氢气分压。例如，在机加工操作期间这样的混合物可以被限制在机加工场地处并且之后被吸走以存储或处理掉。例如，它们可以被释放在大气中。在本发明的其他实施例中，可以选择使用氢气-空气混合物来在机加工场地提供有用的氢气分压。在氢气的任意使用情况下，必须认识到并管理形成氢气与空气的可燃混合物的可能性。

大体而言，建议当氢气与空气混合时要避免氢浓度落入爆炸限制(室温时在空气中4.0～74.2体积百分比)内。如果含氢气体被释放到空气内，这可能会立即发生。或者混合物可存留在氢气-空气混合物在机加工场地被使用的位置。如图1所示，计算出了使用DLC包覆工具干式机加工铝的适当氢气分压。图2示出了室温时空气中氢气的爆炸上限和下限，其作为氢气分压和总空气/氢气压力的函数。类似于图2，可以绘制氢气-空气混合物的爆炸限制和氢气分压以便在确定安全机加工条件时在其他所需温度时实现低摩擦碳基涂层表面。

参考图2，预测在突出显示区域内的氢气与空气的混合物是落入安全操作区域的且同时在金刚石和DLC上保持了低摩擦。在室温时一个标准大气压的总压力之下的氢气分压落入这个突出显示范围时，可以实现氢气对金刚石和DLC的完全覆盖以及安全操作。因此可以预期在氢气和空气的混合物具有低的爆炸风险时获得低摩擦和磨损，这种混合物可以用作金刚石和DLC上的摩擦安全气体润滑剂。

干式机加工消除了对于使用切削流体或金属去除流体的需要。这节省了大量资金，因为省去了与保持、过滤和处理切削流体有关的成本。还消除了切削流体对环境和对机加工车间工人的有害影响。

根据本发明，要被机加工的基体包括铝。各种铝合金可以用于干式机加工过程。这些元件可以显著增加铝合金的机加工性。在本发明的一些实施例中，可以改进铝基体以便含有相对少量的某些精细弥散元素，这些元素比铝铸造合金基底材料更软且具有更低熔点，并且显著地增强了它们所被结合的铸件表面的机加工性。这些元素包括铋、铟、铅和锡，并且它们中的一种或更多种可以被添加到铸造合金中。这些给予润滑性的添加物不是非常容易溶解于铸件的固态富铝基底相中，但是它们可以与例如镁的合金成分相结合。因此，它们以非常小球状物形式弥散在铸造冶金微观结构中。足够少量的一种或更多种软质元素被添加到铸造合金中，以便在铸造过程中固态铸件内或多或少地均匀存在弥散的相对低熔点的软质相(纯的添加物相或与低熔点相中的其他合金成分相混合)，并且选择的表面可以被机加工而不必考虑机加工表面的位置。向铝工件添加这些软质金属添加物补充了根据本发明的对于氢气气氛的使用。

仅由所附权利要求限定了本发明的范围。

Claims (13)

1.一种使用具有碳材料切削表面的工具干式机加工铝合金工件的方法，所述碳材料的特征在于sp²和/或sp³的碳-碳键，所述方法包括：

使得所述铝合金工件与所述工具的碳材料切削表面进行机加工接合，其中所述工具从所述工件去除铝材料；以及

持续地保持机加工接合区域处的含氢气的气氛，所述气氛表现为在工具-工件接合表面处在所述接合表面的温度下具有足够的氢气分压，以便在所述碳材料切削表面上形成并保持氢化碳层，从而最小化铝粘附于所述碳材料切削表面。

2.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中最小氢气分压是由下述等式确定的值：

其中μ(T)＝(53.65T-1.66×10^-3T²-27.37TlnT)×1.04×10^-5-0.0483，

并且其中T是以开尔文为单位的绝对温度。

3.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，还包括控制所述工具的温度并且保持氢气分压以便在受控温度下在所述碳材料切削表面上持续生成氢化碳。

4.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，还包括周期性地测量所述工具的温度，并且如果需要且根据需要调节氢气分压以便在所测量的温度下在所述碳材料切削表面上持续生成氢化碳。

5.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述碳材料切削表面最初包括未氢化的类金刚石碳涂层。

6.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述碳材料切削表面包括金刚石。

7.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述碳材料切削表面包括CVD金刚石涂层。

8.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述铝合金工件表面包括铝硅合金。

9.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述工具是钻。

10.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述含氢气的气氛被封闭成围绕所述机加工接合区域。

11.如权利要求1所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述含氢气的气氛也包含惰性气体。

12.如权利要求11所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述惰性气体包括氦或氩中的一种。

13.如权利要求10所述的干式机加工铝合金工件的方法，其中所述含氢气的气氛包括氮。

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