蔣怡涵，吳佳松，王武榮，韋習(xí)成

(上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200072)

近年來(lái)，隨著能源短缺問(wèn)題和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，汽車(chē)輕量化成為節(jié)能減排的重要途徑[1-2].高強(qiáng)度鋼板和超高強(qiáng)度鋼板由于具有低成本、較好的抗撞及耐蝕性能，一直作為汽車(chē)輕量化的首選材料.與普通鋼相比，高強(qiáng)度鋼具有更高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，但在常溫下的塑性變形范圍窄、成形性能差、易開(kāi)裂且回彈嚴(yán)重，傳統(tǒng)的冷沖壓成形工藝無(wú)法滿足生產(chǎn)需要[3].因此，高強(qiáng)度鋼板熱沖壓成形技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，可以在高溫下沖壓時(shí)改善可成形性并減少回彈.22MnB5是一種錳硼合金鋼，將其加熱到 900～950 ℃并保溫一段時(shí)間后其微觀組織轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體，經(jīng)過(guò)成形及保壓淬火后微觀組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，最終獲得超高強(qiáng)度的沖壓件[4].22MnB5硼鋼作為汽車(chē)行業(yè)中應(yīng)用最廣的高強(qiáng)鋼材料，熱沖壓中的摩擦?xí)?yán)重影響成形件質(zhì)量，甚至?xí)璧K材料流動(dòng)而造成零件開(kāi)裂、模具受損[5-6].因此，有必要對(duì)硼鋼在實(shí)際工藝條件下的摩擦行為進(jìn)行研究.

有關(guān)板料與模具之間的摩擦學(xué)行為已經(jīng)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn).Tian等[7]使用自制板帶式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)高強(qiáng)鋼摩擦磨損行為進(jìn)行研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)板料加熱到500 ℃，相比于室溫條件下，其摩擦因數(shù)幾乎保持不變.溫度從500 ℃升高到600 ℃，其摩擦因數(shù)急劇增加.Ghiotti等[8]采用銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)硼鋼溫度為500～800 ℃的摩擦學(xué)行為進(jìn)行研究，結(jié)果表明，一般情況下，硼鋼摩擦因數(shù)隨溫度增加而減小.Hardell等[9]采用銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)研究室溫至800 ℃范圍內(nèi)硼鋼摩擦因數(shù)的變化.結(jié)果表明，隨溫度升高，摩擦因數(shù)先下降，之后基本保持不變.上述研究中，高溫爐加熱溫度最高達(dá)到800 ℃，并不能模擬實(shí)際熱沖壓過(guò)程的奧氏體化，也均未真正模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下的高溫摩擦過(guò)程.在實(shí)際生產(chǎn)條件下，隨連續(xù)快速?zèng)_壓件數(shù)增多，模具溫度逐漸升高，連續(xù)沖壓15個(gè)循環(huán)后模面最高溫度可超過(guò)200 ℃，而目前針對(duì)模具溫度對(duì)高強(qiáng)鋼的影響研究多集中于其組織及力學(xué)性能[10-12]，依舊缺乏有關(guān)模具溫度對(duì)硼鋼磨損行為的研究.因此，模擬實(shí)際熱沖壓過(guò)程，對(duì)不同模具溫度下硼鋼的摩擦行為及機(jī)理進(jìn)行研究具有重要意義.

基于模具與板料界面處的高溫、高壓等條件，磨損是熱沖壓過(guò)程中的常見(jiàn)問(wèn)題.本文使用自主開(kāi)發(fā)的板帶式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)際生產(chǎn)條件下的熱沖壓過(guò)程模擬，分析了不同模具溫度下22MnB5硼鋼裸板的高溫摩擦行為及模具溫度對(duì)其磨損機(jī)理的影響，以此模擬連續(xù)多次沖壓下板料的摩擦行為，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程具有一定指導(dǎo)意義.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用國(guó)內(nèi)板材熱沖壓產(chǎn)線中大量使用的22MnB5硼鋼裸板作為試驗(yàn)材料，如圖1所示，其原始組織主要由鐵素體和珠光體構(gòu)成.其初始表面粗糙度Ra≈0.62 μm.試驗(yàn)前使用金相砂紙對(duì)試樣表面線切割橫截面進(jìn)行打磨拋光去毛刺處理.對(duì)磨材料使用淬回火處理的H13熱作模具鋼，其尺寸為 40 mm×24 mm×15 mm.每次試驗(yàn)前均使用金相砂紙沿垂直摩擦方向打磨摩擦接觸表面，通過(guò)粗糙儀將摩擦后模具表面粗糙度恢復(fù)至初始值0.15 μm左右.摩擦副材料的主要化學(xué)成分和硬度值如表1所示，表中w為元素質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖1 22MnB5硼鋼裸板顯微組織Fig.1 Microstructure of uncoated 22MnB5 boron steel

表1 22MnB5和H13鋼的化學(xué)成分及其硬度值Tab.1 Chemical composition and hardness of 22MnB5 steel and H13 steel

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

采用課題組自制板帶式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)裝置如圖2所示.該裝置主要由加熱系統(tǒng)、加載系統(tǒng)及拉伸系統(tǒng)組成，摩擦工具示意圖見(jiàn)圖3，板料形狀圖及截面取樣位置見(jiàn)圖4.試驗(yàn)中滑動(dòng)速度由步進(jìn)電機(jī)調(diào)節(jié)，將力傳感器安裝在拉伸系統(tǒng)的滑塊上以測(cè)量摩擦力，測(cè)量數(shù)據(jù)由高速無(wú)紙化記錄儀收集.

圖2 板帶式高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)Fig.2 High-temperature sliding-on-sheet-strip tribo-tester

圖3 摩擦工具示意圖(mm)Fig.3 Schematic diagram of the friction tools (mm)

圖4 截面取樣位置示意圖(mm)Fig.4 Schematic diagram of cross-section sampling position (mm)

摩擦因數(shù)μ由下式獲得：

(1)

式中：F為實(shí)時(shí)拉力；P為加壓載荷.

平均摩擦因數(shù)μA為

(2)

式中：LS為摩擦距離；L0為摩擦距離起始點(diǎn).

1.3 試驗(yàn)方法

摩擦工具中鉆有通孔，用于插入加熱棒對(duì)其升溫，并設(shè)有測(cè)溫孔通過(guò)無(wú)紙化記錄儀及K型熱電偶，以確認(rèn)模具升至所需溫度的升溫時(shí)間.每次實(shí)驗(yàn)均按以下步驟進(jìn)行：① 將加熱爐溫度設(shè)置為奧氏體化溫度930 ℃，試樣一端與力傳感器連接，當(dāng)加熱爐溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)開(kāi)啟步進(jìn)電機(jī)，使試樣另一端進(jìn)入加熱爐中，保溫5 min；② 保溫結(jié)束前，根據(jù)已測(cè)定升溫時(shí)間啟動(dòng)加熱棒，使模具到達(dá)預(yù)設(shè)溫度時(shí)完成板料保溫過(guò)程；③ 停止加熱棒加熱并啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使試樣在預(yù)設(shè)速度下被拉動(dòng)，以模擬實(shí)際熱沖壓中的快速轉(zhuǎn)移過(guò)程；④ 當(dāng)試樣恒溫加熱部分到達(dá)摩擦工具位置，通過(guò)加載系統(tǒng)施加所需載荷，同時(shí)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，使試樣在預(yù)設(shè)速度下被拉動(dòng)以模擬實(shí)際沖壓過(guò)程；⑤ 通過(guò)無(wú)紙化記錄儀采集和記錄數(shù)據(jù).

高溫摩擦試驗(yàn)僅改變模具溫度，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 高溫摩擦試驗(yàn)參數(shù)Tab.2 Test parameters for high-temperature friction

采用TR200手持式粗糙儀對(duì)試樣及模具表面粗糙度進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)板帶式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)獲取硼鋼摩擦因數(shù)，通過(guò)超景深三維顯微系統(tǒng)VHX-600獲取板帶高溫磨損形貌，通過(guò)光學(xué)顯微鏡獲取板帶截面圖及基體組織圖，通過(guò)顯微硬度計(jì)獲取板料基體硬度.

2 結(jié)果與討論

2.1 摩擦行為

圖5所示為22MnB5硼鋼裸板在不同模具初始溫度下所獲得的摩擦因數(shù)，此時(shí)奧氏體化溫度930 ℃，滑動(dòng)速度20 mm/s，壓強(qiáng)3 MPa.圖中T為模具溫度.

圖5 不同模具溫度下22MnB5硼鋼的摩擦系數(shù)Fig.5 Coefficient of friction of 22MnB5 boron steel at different mold temperatures

可以看出，不同溫度下22MnB5硼鋼的摩擦因數(shù)在初始階段均急劇增加，而后達(dá)到峰值.這種行為歸因于在最初幾秒存在抑制金屬與金屬直接接觸的氧化層，滑動(dòng)一定距離后，氧化層被破壞并發(fā)生金屬與金屬間的接觸，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增加.隨著滑動(dòng)距離進(jìn)一步增加，摩擦因數(shù)曲線開(kāi)始下降并趨于穩(wěn)定.當(dāng)模具溫度為20 ℃、50 ℃及100 ℃時(shí)，摩擦因數(shù)整體差別不大，其平均摩擦因數(shù)值分別為0.506、0.504及0.505.當(dāng)模具溫度進(jìn)一步升高到150 ℃和200 ℃時(shí)，其平均摩擦因數(shù)曲線出現(xiàn)較明顯下降，平均摩擦因數(shù)值分別為0.474和0.417，見(jiàn)圖6.

圖6 22MnB5硼鋼在不同模具溫度下的平均摩擦因數(shù)Fig.6 Average friction coefficient of 22MnB5 boron steel at different mold temperatures

2.2 摩擦機(jī)理

圖7所示為不同模具溫度下22MnB5硼鋼的高溫磨損形貌，圖中箭頭方向?yàn)槟Σ列羞M(jìn)方向.T=20 ℃、50 ℃及100 ℃時(shí)板材表面磨痕深度較深、數(shù)量較多，黏結(jié)瘤存在較為明顯.T=100 ℃時(shí)，板材表面極易形成黏結(jié)點(diǎn)，這種行為是由于轉(zhuǎn)移顆粒的形成以及金屬間的高黏附性，當(dāng)板料在模具間滑動(dòng)時(shí)，微凸體間發(fā)生較強(qiáng)的黏附作用，最終導(dǎo)致黏結(jié)點(diǎn)的形成.在相對(duì)滑動(dòng)和載荷的作用下，黏結(jié)點(diǎn)發(fā)生剪切斷裂，被剪切的材料部分脫落成為磨屑，在板料表面滑動(dòng)形成溝槽；部分轉(zhuǎn)移到模具上并不斷堆積，形成黏結(jié)瘤，隨著板料繼續(xù)滑動(dòng)，黏結(jié)瘤與板材表面接觸并擦傷板料表面，從而在板材表面產(chǎn)生更深的劃痕，伴隨磨粒磨損，犁溝效應(yīng)顯著.此外，板料表面的回火色同樣證實(shí)黏著磨損的存在.在上述3種條件下，硼鋼磨損以黏著磨損和磨粒磨損為主，其中黏著磨損起主要作用.當(dāng)模具溫度進(jìn)一步升至150 ℃和200 ℃，相比T=20 ℃、50 ℃和100 ℃的板材表面磨痕，前者深度明顯較淺，磨損嚴(yán)重程度下降，并未出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，這可能與不同模具溫度下板材的流動(dòng)性有關(guān).在較低的模具溫度下，板料與模具間溫差大，板料在模具間滑動(dòng)阻力較大，摩擦因數(shù)較高.隨著模具溫度升高，板料在模具間滑動(dòng)的流動(dòng)性有所改善，在滑動(dòng)時(shí)受到阻力更小，因此其磨損形貌出現(xiàn)較大改變，摩擦因數(shù)較低.在以上兩種條件下，板料黏著磨損作用相對(duì)減弱，并未出現(xiàn)明顯黏結(jié)瘤，磨痕深度較淺且磨痕量較少.

圖7 不同模具溫度下22MnB5硼鋼的高溫磨損形貌Fig.7 High temperature wear morphology of 22MnB5 boron steel at different mold temperatures

硼鋼經(jīng)奧氏體化保溫后被快速?gòu)母邷貭t中拉出，接觸大量的空氣形成氧化層，氧化層的存在對(duì)磨損起著重要作用.鋼中的主要元素是Fe，可以形成FeO、Fe2O3和Fe3O4三種不同類(lèi)型的氧化物.FeO具有多孔結(jié)構(gòu)、極不穩(wěn)定，F(xiàn)e2O3是較為疏松的氧化物，以上兩種氧化物與Fe基體的結(jié)合力均較低.Fe3O4則是一種硬質(zhì)化合物，其硬度較高，洛氏硬度可達(dá)到50，硬而脆的氧化層的在壓力的作用下極易分離，分離則導(dǎo)致磨粒磨損加劇.板料加熱溫度為930 ℃，該溫度下板料表面氧化物為FeO、Fe2O3和Fe3O4混合物.從圖8可知，氧化層堆積在基體上，隨著模具溫度從20 ℃升至50 ℃、100 ℃、150 ℃及200 ℃，板料表面氧化層厚度依次約為42.28 μm、41.78 μm、39.73 μm、39.37 μm及43.74 μm，厚度相當(dāng).不同模具溫度下板料與模具間溫差不同，當(dāng)溫差較大時(shí)，氧化皮在滑動(dòng)過(guò)程中極易破裂.當(dāng)板料被施以一定載荷并滑動(dòng)時(shí)，表面氧化皮被破壞，大量磨屑產(chǎn)生，滑動(dòng)使磨屑被碾碎，大量氧化物顆粒和磨損碎片嵌入板料中.隨著滑動(dòng)的不斷進(jìn)行，黏結(jié)瘤不斷長(zhǎng)大，硼鋼表面形成更多的凹槽，更導(dǎo)致磨損碎片的夾帶和保留.相比模具與板料間較大的溫差，模具溫度的適當(dāng)提高在一定程度上保護(hù)了氧化皮的支撐作用，因而在較高模具溫度下板料磨損相對(duì)較弱，磨痕相對(duì)較淺.

圖8 板料在不同模具溫度下的試樣截面及基體組織顯微圖Fig.8 Microstructures of substrate and cross-sections of specimen at different mold temperatures

圖9所示為22MnB5硼鋼硬度隨模具溫度變化圖.硼鋼原始組織維氏硬度為180.0，經(jīng)930 ℃奧氏體化保溫并保壓淬火后其硬度達(dá)到了437.4.隨著模具溫度的升高，硼鋼的基體硬度在50 ℃和100 ℃時(shí)沒(méi)有較大改變，當(dāng)預(yù)熱溫度進(jìn)一步升高時(shí)，模具維氏硬度硬度在150 ℃時(shí)降至413.5，在200 ℃時(shí)降至399.7.

圖9 22MnB5硼鋼在不同模具溫度下的硬度值Fig.9 Hardness of 22MnB5 boron steel at different mold temperatures

圖10為板料在摩擦過(guò)程中溫度T′及冷卻速率δ變化曲線，圖中t為時(shí)間.該圖主要對(duì)比模具溫度為20 ℃和200 ℃兩種條件.兩種條件下板料的初始摩擦溫度均為770 ℃上下，在摩擦起始溫度前兩者溫度變化基本一致，當(dāng)摩擦開(kāi)始進(jìn)行，模具溫度200 ℃條件下板料的冷卻速率下降速度較快.換熱公式為

圖10 板料摩擦過(guò)程中溫度和冷卻速率變化曲線Fig.10 Temperature and cooling rate curves during sheet friction

(3)

式中：h為物質(zhì)的對(duì)流傳熱系數(shù)；q為熱流密度.

當(dāng)模具升至一定溫度，板料與模具溫差減小，換熱減緩，板料冷速大大降低.當(dāng)板帶從930 ℃高溫爐中拉出，板帶較軟.而預(yù)熱溫度較高的150 ℃和200 ℃模具與室溫及預(yù)熱至50 ℃ 和100 ℃的模具相比，前者與板帶之間溫差較小.更高的溫差會(huì)使加熱板材在摩擦過(guò)程中具有更大冷卻速率，淬火效應(yīng)明顯，因此板材與更低預(yù)熱溫度的模具對(duì)磨后其基體硬度相應(yīng)增大.當(dāng)模具溫度為150 ℃時(shí)，較低的冷速使馬氏體組織粗大，綜合性能較差(見(jiàn)圖8(d)).研究表明，奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的臨界冷卻速率為 27 ℃/s[13-14]，當(dāng)模具溫度達(dá)到200 ℃時(shí)，板料冷速無(wú)法達(dá)到要求，在摩擦進(jìn)行一段時(shí)間后其冷卻速率低于臨界冷卻速率，見(jiàn)圖10.通過(guò)圖8(e)可以看出，在同等腐蝕條件下硼鋼基體組織中出現(xiàn)黑色短針狀下貝氏體，硬度明顯減小.

硼鋼的耐磨性與基體硬度在模具溫度200 ℃范圍內(nèi)呈現(xiàn)出相反的變化趨勢(shì).較高的模具溫度下，板料與模具溫差較小，板料冷卻速率大大降低，該條件下板料相對(duì)較軟，更易于在模具間流動(dòng)，滑動(dòng)過(guò)程中摩擦阻力較小，從而使摩擦因數(shù)較小(圖5)，磨損相對(duì)較輕(圖7).另一方面，更高溫升會(huì)帶來(lái)更為明顯的模具軟化，因此室溫及加熱至較低預(yù)熱溫度的模具與軟態(tài)加熱板材之間具有更高的硬度差.盡管較低模具預(yù)熱溫度下板材基體硬度上升，但在高溫對(duì)磨過(guò)程模具硬度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于板材硬度.因此，具有更高硬度差的較低預(yù)熱溫度模具與軟態(tài)高溫板材對(duì)磨時(shí)，犁削效應(yīng)更為明顯，進(jìn)一步導(dǎo)致更為嚴(yán)重的磨粒磨損，因此其摩擦因數(shù)較高.

3 結(jié)論

通過(guò)自制的板帶式高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行22MnB5硼鋼裸板與淬、回火處理的H13熱作模具鋼的摩擦實(shí)驗(yàn)，對(duì)模具進(jìn)行不同溫度的預(yù)熱，并以此模擬實(shí)際沖壓過(guò)程，對(duì)不同模具溫度下硼鋼裸板的摩擦行為及顯微組織進(jìn)行了評(píng)估，獲得如下結(jié)論：

(1) 隨著模具溫度升高，硼鋼裸板摩擦因數(shù)在室溫、50 ℃和100 ℃基本保持不變，當(dāng)模具溫度進(jìn)一步升高至150 ℃及200 ℃時(shí)，硼鋼摩擦因數(shù)明顯下降.

(2) 當(dāng)模具溫度在100 ℃以下時(shí)，板料磨損機(jī)理以黏著磨損和磨粒磨損為主，隨模具溫度進(jìn)一步升高，磨損機(jī)理中黏著磨損作用減弱.

(3) 模具溫度較高時(shí)，板料與模具溫度差較小，板料冷卻速度無(wú)法達(dá)到要求，部分奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)橄仑愂象w，硼鋼基體硬度較低.