Zr-4合金具有優異的核性能，它的熱中子俘獲截面小，耐輻照性能好，在300~400℃高溫高壓水和水蒸汽中有很好的抗腐蝕性能，結合它優良的力學性能和機械加工性能，使其成為核動力壓水堆和石墨水堆極為理想的燃料元件包殼材料和結構材料[1-3]。因此，鋯管加工質量的高低是核反應堆能否安全可靠運行的關鍵。

       熱擠壓是鋯合金管材生產中最常使用的制備空心管坯的加工方式，用這種方法制備的管坯不僅壁厚尺寸和內表面質量難以保證，而且此種加工方式對金屬和工模具的損耗較大[４]， 一旦潤滑劑使用不當或潤滑效果沒有達到設計要求，管坯外表面上往往會有大量的凸出于表面的棱狀縱向條紋和表面坑狀缺陷，同時整個管坯外表面被一層致密的氧化膜所覆蓋。工業化生產時，為了提高生產效率并使鋯合金獲得細小的內部組織，從而獲得良好的力學性能，熱擠壓管坯的尺寸往往都比較大。由于成品包殼管壁厚尺寸普遍在0.3~0.7mm之間，對合金內部組織和管件內外表面粗糙度要求極高。因此，為了保證包殼管的冷加工和真空退火質量，Zr-4合金管坯在進入包殼管生產廠之前必須要對其內外表面做相應的處理以除去內表面的擠壓缺陷和油污，外表面的致密氧化膜、棱狀條紋以及坑狀瑕疵等宏觀缺陷，并達到規定的管坯壁厚和表面粗糙度。目前國內主要引進美國金剛石深孔珩磨技術來實現對Zr-4合金管坯內表面缺陷的修磨和幾何尺寸的精整，修磨后的內表面粗糙度可達Ra0.32μm，但此法在提高管件壁厚等幾何精度方面的能力有限，管坯壁厚主要依賴于對外表面的機械修磨來加以保證。

       砂帶磨削具有磨削、研磨和拋光等多重作用，磨削效率高，磨削表面質量好，磨削工藝靈活性大、適應性強等磨削加工性能，能夠很容易地實現對鋯管外表面的精整加工[5-8]。國外核電技術先進國家目前主要采用砂帶磨削技術對鋯管管坯外表面進行修磨處理。在國內，盡管應用砂帶磨削技術的歷史較長，但發展遲緩，鋯合金燃料包殼磨削技術長期依賴受制于國外，一直沒有能夠適用于核電鋯管精度要求的國產自動砂帶磨床設備及配套工藝[9]。

       通過3種磨料同種粒度的砂帶采用不同工藝對Zr-4管坯進行磨削實驗，分析了砂帶線速度、接觸輪硬度等工藝參數對工件表面材料去除率、工件表面粗糙度和砂帶磨粒磨損情況的影響。探究了核電鋯管管坯砂帶修磨工藝， 給出了Zr-4合金管砂帶磨削較優推薦工藝參數，旨在為Zr-4合金管尋求高效、高質的磨削加工工藝方面提供實驗和理論依據。

       １　磨削工藝實驗研究

       1.1　實驗裝置

       鑒于在恒進給磨削過程中由于管材形狀誤差的原因鋯管壁厚容易出現超負差的現象，本實驗是在如圖１所示的數控砂帶隨形外圓修磨機上進行的。該機床配備了伺服數控系統和壁厚在線檢測系統，能夠根據待加工工件的特點進行相應的數控編程進而控制機床運動，在加工過程中數控系統能夠同時接收檢測系統接收到的壁厚實時信號，并經分析處理后通過反饋控制浮動抬刀機構的輸出壓力來加厚或者減薄磨削層的厚度，從而使磨頭的位移曲線與鋯管表面的輪廓曲線有較高的相似性和同步性。此外，也可以通過手動調節彈簧支撐機構來大幅調節磨頭與工件之間的接觸壓力，以適應對不同管徑尺寸加工的要求。
       1.2　實驗條件
       該實驗采用順磨方式，實驗條件見表1。
       Zr-4合金管坯在進行外表面砂帶修磨之前已經過矯正、切端和管內表面修磨、去毛刺和清洗等預處理。內表面的尺寸、公差和表面粗糙度均已達到技術協議規定的質量要求。

       2　實驗方法

       實驗首先通過單因素實驗，測試砂帶修磨Zr-4合金管過程中影響管件表面材料去除率、表面粗糙度和砂帶磨粒磨損情況的主要因素，然后分析不同條件下砂帶修磨Zr-4合金管坯的質量情況。
       1）在法向磨削壓力Fn不變的情況下，改變砂帶線速度Vs（6~18m/s），對管件進行磨削，測量管件磨削前后質量的變化情況和表面粗糙度Ra值，計算材料去除率；
       2）在砂帶線速度Vs不變的情況下，改變法向磨削壓力Fn（500~1200N），對管件進行磨削加工，測量管件磨削前后的質量變化情況和表面粗糙度Ra值，計算材料去除率；

       3）在磨削壓力Fn和砂帶線速度Vs均不變的情況下，更換不同硬度的接觸輪，測量管件磨削前后的質量變化情況和表面粗糙度Ra值，計算材料去除率；

       4）改變砂帶磨料種類，采用碳化硅、鋯剛玉和氧化鋁磨料砂帶作對比實驗，測量管件磨削前后的質量變化情況和表面粗糙度Ra值，計算材料去除率，對比不同磨料的磨削效果；

       5）采用多因素正交實驗方法綜合研究砂帶線速度、磨削壓力、接觸輪硬度和工件進給速度對Zr-4合金管坯砂帶修磨質量的影響規律。

       3　實驗結果分析

       3.1　材料去除率的影響因素研究

       3.1.1　砂帶線速度對材料去除率的影響
 
       實驗過程中發現 當砂帶線速度超過20m/s時，由于磨削熱的原因鋯管表面在三個工作行程內就會出現燒傷現象，而此時工件的表面粗糙度和尺寸精度均未達到設計要求。為了探究在有效砂帶線速度下，工件表面材料去除率隨砂帶線速度Vs的變化規律，筆者取定Vs在（6~18）m/s的范圍內變動。
       圖２為磨削壓力Fn＝500N時，不同的砂帶線速度與標準材料去除率Z′w的關系。由圖可見，砂帶線速度提高后的直接效果就是材料去除率Z′w的增加，但當Vs超過某一臨界值時，Z′w就會迅速下降。

       前期材料去除率增加的主要原因是砂帶線速度增加使單位時間內參與切削的磨粒數量增加，并且高速條件下的鈍化磨粒同樣具有較強的切削能力，所以材料去除率增加；后期材料去除率減小是因為不斷增加的磨削速度使彈性砂帶上的磨粒受工件表面的反沖擊頻率增大，彈性砂帶退讓也增大，引起了砂帶磨粒切刃實際切入深度減小。只有當以上兩種因素的影響處于相對平衡時，材料去除率達到最大值。

       為了獲得較高的修磨效率即材料去除率，不同磨料砂帶均存在各自最佳的線速度值， 碳化硅磨料砂帶線速度值約為14m/s，鋯剛玉磨料砂帶約為12m/s時，氧化鋁磨料砂帶約為16m/s。

       3.1.2　磨削壓力對材料去除率的影響

       圖3為砂帶線速度為10m/s時，Z′w隨磨削壓力Fn的變化曲線。由圖可知，隨磨削力Fn的增加，Z′w有一個較為明顯的增長趨勢。這是因為隨著磨削壓力的增加，單位時間內參與磨削的單顆磨粒平均載荷增加，切入工件更深，材料去除更多。

       但磨削壓力并不是越大越好，由于管件的修磨采用無心外圓磨削的方式，壓力越大，磨頭系統對工件形位誤差的敏感性增強，機床振動加劇，磨粒破碎加快，脫落嚴重，砂帶切削能力受到很大的制約，材料去除率反而會下降；壓力增大，磨削區溫度急劇升高，工件很容易燒傷。實驗中筆者發現當磨削壓力為650N左右時， 工藝系統穩定，且能獲得較高的材料去除率，同時又不會燒傷工件。
       3.1.3　磨料種類對材料去除率的影響

       不同種類的磨粒不論在微觀結構、抗破碎性、磨損機理以及與被加工材料的親和性等方面都會表現出極大的差異性，因此磨料種類不同，材料去除率能力和砂帶使用壽命各不相同[10]。由圖2和圖3可知，同等條件下，鋯剛玉砂帶比碳化硅砂帶的相對金屬切除率高20%左右，比氧化鋁砂帶提高45%以上，這是因為鋯剛玉的硬度略大于碳化硅并遠高于氧化鋁，機械強度高，性脆而鋒利，磨粒即時破裂后可形成新的鋒刃，切削能力強。然而砂帶磨削產生的磨屑是一些形狀各異的微細顆粒，微細顆粒在脫離磨削區的瞬間會吸收大量的熱能，這些熱量足以使它與空氣中的氧氣發生氧化反應而生成鋯的氧化物。 鋯剛玉是以氧化鋁、氧化鋯為原料在電弧爐中經高溫冶煉而成，而這兩種材料成分的晶格結構與磨屑氧化物的相同，二者的親和性極強。因此隨磨削時間延長，無論是鋯剛玉磨料砂帶還是氧化鋁磨料砂帶均會出現相當嚴重的堵塞現象。碳化硅磨粒與鋯合金的親和力遠不如氧化鋁和鋯剛玉磨粒強，因而磨屑在磨粒上的粘附力不強，砂帶的粘附不像剛玉類砂帶那樣嚴重。

       3.2 Zr-4合金包殼管表面粗糙度的影響因素

       Zr-4合金管的表面粗糙度在很大程度上影響其耐腐蝕性能。管件表面越粗糙，越易使腐蝕性氣體或液體通過表面的微觀凹谷滲入到金屬內層，造成其表面腐蝕。因此，減小零件表面粗糙度值，可以有效提高零件的耐腐蝕性能。管件外壁磨削表面的創成過程是砂帶磨粒在工件表面的微量切削而形成的累積效應，加工過程中影響工件表面粗糙度的因素眾多，磨削過程的物理關系難以精確表述[11-12]。

        3.2.1　接觸輪硬度對Zr-4合金鋯管表面粗糙度的影響

       接觸輪越軟，相同磨削壓力的情況下接觸輪的變形程度越大，與工件的接觸面積越大。與此同時，磨削區中參與磨削的砂帶的變形程度較大，砂帶變形的直接結果就是磨粒會向砂帶變形程度最大的地方傾斜，從而改變加工過程中磨粒的切削方向。如圖4磨削區兩側的磨粒集中向磨削區的中部傾斜，只有單側的磨粒切刃會以其較大的負前角參與到對工件的切削過程當中，而相對一側的磨粒則主要在工件表面起到擠壓、滑擦以及初步耕犁的作用，只有少數變形較小的磨粒切刃能夠切除材料，由于材料去除率小，工件表面粗糙度值能夠達到較低的水平。若接觸輪的硬度越大，其變形越小，與工件的接觸面積越小，雖然磨粒與工件實際接觸時間ts變小 但單顆磨粒對工件的壓力變大，有效切削深度增大，因而切除率也越高，磨削精度較高，但加工表面粗糙度卻相應地增大。
       同樣，接觸長度的大小在很大程度上影響磨削溫度的高低，接觸長度增加時，冷卻液難以進入接觸區，通過冷卻液帶走的熱量則顯著減少。同時，接觸長度增大，工件熱傳遞的路徑增長，磨削區的熱量很難散發出來，引起磨削區溫度升高。
接觸輪硬度不同的情況下，管坯表面粗糙度隨磨削時間ts的變化曲線如圖5所示。
       實驗結果與理論分析相吻合，磨削時間一定的情況下，接觸輪硬度越高工件表面粗糙度越高，硬度越低，工件表面粗糙度越低。為了既能保證工件砂帶磨削的尺寸精度又能獲得較為理想的表面質量，同時盡量延長設備維護周期，接觸輪硬度的選擇要適中。實驗發現當接觸輪硬度為70HS時，磨削質量完全能夠滿足設計要求。

       3.2.2　磨削壓力對Zr-4合金管表面粗糙度的影響

       如圖6所示，表面粗糙度隨著磨削壓力的增加而降低。當磨削壓力較小時，降低的較快；當磨削壓力較大時，降低變得緩慢。表面粗糙度值的降低直接與參與磨削的磨粒數（The Number of Grains）和磨粒的形狀有關。NG隨著磨削壓力的增加而增加，然而，磨粒的形狀一方面與接觸壓力有關，另一方面與磨削時間有關。當磨削壓力大時，磨粒的快速磨損使表面粗糙度降低的緩慢。但壓力的增大，會使磨粒的激振頻率升高，使振動加劇，磨粒脫離嚴重，NG減小。

       在較小的磨削壓力下，磨削時間長一點的比磨削時間短的表面粗糙度要好。這是因為在較小的磨削壓力下，磨粒的磨損率較小，并且能保持較長時間的切削性，磨削時間長可以對表面多次磨削，使表面粗糙度值降低，但磨削效率會下降。然而在大的磨削壓力下，最終表面粗糙度值的大小與磨削時間的關系不明顯。
       3.3　砂帶磨損研究

       3.3.1　磨粒磨損量實驗分析

       砂帶磨削過程中包括諸多不同形狀磨粒的切刃對工件表面產生的綜合切削，由于磨粒的形狀不規則，并且是隨機的分布在砂帶上，使得磨粒的磨損機理非常復雜[13]。

       為了探尋磨削過程中砂帶磨損的規律，實驗采用直接測量方法，通過測量每次進給后砂帶同一標記位置處的實際厚度值來計算砂帶磨粒高度的變化情況。圖7為采用不同磨削參數時砂帶磨損量隨時間的變化曲線。

       在相同加工質量的前提下，采用不同的磨削參數組合時砂帶初期磨損的時間基本相同?？梢?，砂帶初期磨損時間的長短是砂帶線速度、磨頭進給速度和磨削壓力共同作用的結果。磨削壓力直接影響參與磨削的磨粒數量，壓力過小砂帶初期磨損時間加長，若過大會造成磨粒過載，出現大面積磨粒脫落現象。進給速度的增大將增大施加在單顆磨粒上的沖擊載荷，突出于砂帶表層的磨粒會在力的作用下崩脆甚至脫落。

       砂帶磨粒初期磨損高度隨砂帶線速度和磨削壓力的增大而增加。為了分擔負荷，使單顆磨粒不會因過載而脫落，同時參與磨削的磨粒數量必須隨之增加。對于恒壓磨削來說，增大磨削壓力是最直接有效的方法。為了限制因磨削壓力增大而造成磨削溫度上升從而影響管件表面的修磨質量，磨削參數的選擇必須要在綜合考慮磨粒磨損和管件表面質量中尋求平衡。

       3.3.2　砂帶磨損表面形貌研究

       磨料的微結構和使用條件對砂帶磨粒的具體磨損形式和演變過程影響很大[14]。為了提高砂帶使用壽命和增加材料去除率，從微觀角度來研究不同種類磨料的磨粒磨損形式，進而分析砂帶磨損的變化規律[15]。

       砂帶磨粒在與Zr-4合金的交互作用過程中，主要以磨耗磨損和粘附磨損為主。初期磨損主要以磨耗磨損為主，Zr-4合金塑性好，隨著磨料與Zr-4合金的交互作用的加劇，接觸區的磨削熱會迅速積聚，合金表面及磨屑被瞬間氧化，接近熔融狀態的切屑會粘焊在磨粒尖刃上，粘附磨損所占的比例會顯著增加。同時大量的磨屑會堵塞砂帶磨粒間的容屑空間，導致磨削阻力增加，進而發生嚴重的粘附磨損材料去除率明顯下降。
       圖8（a）~（c）分別為碳化硅磨料、鋯剛玉磨料和氧化鋁磨料與Zr-4合金發生交互作用后的磨損情況，從圖8（b）、（c）可以清晰看到Zr-4合金材料的切屑粘焊在磨粒尖刃上，發生了粘附磨損。鋯合金氧化物與氧化鋁在微觀上有著相同的晶格結構，二者親和性極強，會生成韌性更強的新物質粘附在切刃上，從而使磨削能力嚴重惡化甚至喪失，而且磨粒越細小，這種現象就會越嚴重，這就是導致細粒度含氧化鋁磨料難以長久切削Zr-4合金材料的本質原因。

       對比圖8（a）可以看出碳化硅磨料在與Zr-4合金材料發生交互作用后，其磨粒的磨損始終以磨耗磨損為主，磨粒上幾乎沒有粘結物的存在。
       3.4　Zr-4合金砂帶修磨表面微觀形貌分析

       從圖9（a）中可以看出，經砂帶修磨后的Zr-4合金管的表面上，存在著粗細相間的溝槽狀塑性磨削劃痕，溝痕兩邊的金屬滑移隆起突出，磨削紋路清晰且較為完整。在磨削表面粗糙度Ra值較大的情況下，溝槽劃痕較深，微細的磨料顆粒和磨屑會嵌入其中。如圖（b），當Ra值較小時，溝痕較淺且寬度均勻，內部基本上沒有粘附物。圖（c）為合金表面燒傷微觀形貌圖，圖中工件表面的磨削紋路尚可分辨，但溝痕中填滿了大量的灰黑色斑狀凸起物， 經Ｘ射線能譜儀分析后筆者發現凸起物中含有O、Al、Si和Zr等元素。

       進一步分析后發現Zr-4合金表面燒傷層由涂覆層、氧化層和污染層三層組成。涂敷層主要由Zr的氧化物、碳化物、Si或Al的氧化物等組成，它們以片狀或球狀的形式隨機熔覆在工件表面，該層中沒有發現以晶體形式存在的Zr，氧化層由Zr的氧化物組成，主要是ZrO2，也有少量的ZrOn（n≤0.5）；基體和氧化層之間的過渡層稱為污染層，該層中晶體Zr和氧化鋯共存，氧以氧化物和氣體過飽和間隙固溶體的形式存在，其含量隨深度的增加而減少。過度層以片狀或塊狀的金相形式存在，與基體有明顯的分界面，其厚度與燒傷程度密切相關，燒傷越重，厚度越大。

       為了盡可能的降低由于砂帶修磨對管件表面耐腐蝕性能的損害，砂帶磨料粒度不易太小，修磨結束后應充分清洗烘干管件內外表面。

       4　磨削工件表面顯微硬度分析

       在砂帶磨削過程中由于磨粒的滑擦、耕犁和切削作用，鋯管管坯外表面發生了較為劇烈的塑性變形，金屬內各滑移系之間位錯的相互作用以及缺陷的形成，共同引起了位錯的塞積， 使變形阻力大大增加，從而使晶體產生加工硬化，此外，微細的片狀及顆粒狀鋯合金的化學活性極高，在磨削高溫的作用下極易與大氣中的氧、氮等發生氧化反應，從而在工件表面形成污染層；此外氧、碳和氮等元素會滲入到Zr-4合金表層，形成氣體過飽和間隙固溶體，這些均會使Zr-4合金砂帶磨削表面的硬度提高[16]。

       磨削過程中，鋯合金的熱敏感性較大，極易發生磨削燒傷，即工件表面變黑或出現魚鱗狀褶皺和塑性流變涂覆層。燒傷是工件基體材料在熱影響下向表面擴散而被吸附進去的氧氮等氧化而形成的一層氧化膜，產生燒傷的工件表面，發生了急劇的塑性變形，表面層內晶粒破碎、晶體畸變、燒傷層的顯微硬度也發生變化。磨削燒傷會破壞工件表層組織，產生很大的熱應力，嚴重時會導致產生表面裂紋，致使工件表面質量惡化，嚴重地影響工件的強度及使用價值。
       由圖10所示的顯微硬度變化曲線可知Zr-4合金修磨過程中，燒傷表面層的硬度變化和未燒傷表面層的顯微硬度變化規律有著較大差異，燒傷表面次表層有一層約為150μm左右的軟化層。另外，磨削表層顯微硬度變化深度h隨燒傷程度的增加而增加，表面輕微燒傷時h約為175μm，表面嚴重燒傷時，h約為250μm。

       5　結　論

       1）砂帶線速度Vs和法向磨削壓力Fn是影響鋯合金砂帶磨削材料去除率的主要因素。雖然二者的增大均能使材料去除率得到較大的提高，但同時也會使磨削溫度迅速上升。在不致引起表面燒傷的情況下，為了提高管件的修磨效率，砂帶線速度和磨削壓力應分別在8~12m/s和600~700N的范圍內選取。

       2）接觸輪的硬度和磨削壓力均會影響磨削區中磨粒與加工表面的接觸形式，從而影響材料去除能力和砂帶使用壽命。除此之外，磨粒切削方向的改變，易引起磨粒的振動，從而影響工藝系統的穩定性。

       3）Zr-4合金砂帶磨削過程中，磨粒在與工件接觸時極易發生熔敷和粘結，磨料的化學磨損和粘附磨損較為嚴重。帶有粘附物的磨粒在磨削區高溫高壓下會將粘附物重新涂附在已加工表面上，進一步加劇磨削溫度的上升，造成工件燒傷。

       4）砂帶磨削會在工件表層產生形變層以及伴有較深劃痕的粗糙表面，這樣會加速管件的氧化腐蝕。為了提高鋯合金產品的表面粗糙度，避免劃痕存在，采用細砂帶進行機械修磨是有效手段。

       5）Zr-4合金經過磨削后，其表面發生了較為明顯的加工硬化，燒傷工件的次表面有軟化層，磨削表層顯微硬度變化深度h隨磨削燒傷程度的增加而增加。

       參考文獻
       [1] 李纓．鋯管精整檢測生產線的工藝設計[J]．原子能科學技術2003，37（Sup）：94-97．
       [2] Huang B Y. China materials engineering canon[M], Beijing: Chemistry Industry Press,2006
       [3] Motta A,Jeong Y H, Comstock R J, et al. Advanced corrosion-resistant Zr alloys for high burnup and generation IV application[J], Department of Energy International Nuclear Energy Research Initiative DOE/ROK Project Number: www.nuclear,gov,2003-020-K
       [4] 劉建章．核結構材料[M]．北京 化學工業出版社,2007
       [5] 黃云 黃智．現代砂帶磨削技術及工程應用[Ｍ]．重慶 重慶大學出版社2009．
       [6] Huang Y, Huang Z, Xu Q S,et al. The grinding force measure and analysis on the abrasive belt grinding to magnesium alloy[J], Key Engineering Materials,2007,353(1):726-729
       [7]Li C H,Cai G O,Xu S C. High efficiency abrasive machining process and its key technologies [C]. The 11th international conference on industrial engineering and engineering management, 2005(4):516-519
       [8] 黃云 黃智．砂帶磨削的發展及關鍵技術[J]．中國機械工程2007,18918):2263-2267
       [9] 馬余選 余興旭．核用鋯合金管材外表面拋光裝備的研制[J]．稀有金屬材料與工程2000, 29(1):68-71
       [10] 王維朗 潘復生 陳延軍等．不銹鋼材料砂帶磨削試驗[J]．重慶大學學報 自然科學版2006, 29(10):91-95
       [11] Bigerelle M, Najjar D, Iost A, Relevance of roughness parameters for describing and modelling machined surface[J], Journal of Materials Science,2003,38(11):2525-2536
       [12] 修世超 李長河 蔡光起．磨削加工表面粗糙度理論模型修正方法[J]．東北大學學報 自然科學版2005,26(8):770-773
       [13] Mezghani S, Mansori M, Sura E. Wear mechanism maps for the belt finishing of steel and cast iron[J],Wear,2009,267(1/2/3/4):86-91
       [14] Jourani A, Dursapt M, Hamdi H, et al. Effect of the belt grinding on the surface texture; modeling of the contact and abrasive wear[J]. wear,2005,259:1137-1143
       [15] Deuis R L, Subramanian C, Yellup J M. Abrasive wear of aluminium composites: a review[J], Wear,1996,201(1/2):132-144
       [16] 任敬心 康仁科 史興寬．難加工材料的磨削lM] 北京 國防工業出版社1999．


       作者簡介：黃云 (1962- ) 男 重慶大學教授 主要從事機械制造及砂帶磨削應用技術方向研究 (E-mail) yunhuang@samhada.com