基板強度對汽車用合金化熱鍍鋅板摩擦因數的影響

李 波，康永林，朱國明，高永堅

（1北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083；2廣州JFE鋼板有限公司，廣州511464）

基板強度對汽車用合金化熱鍍鋅板摩擦因數的影響

李 波1，康永林1，朱國明1，高永堅2

（1北京科技大學 材料科學與工程學院，北京100083；2廣州JFE鋼板有限公司，廣州511464）

采用平板滑動摩擦實驗研究不同接觸壓力下合金化熱鍍鋅鋼板的摩擦因數。結果表明：在相同的變形條件下，低強度基板加工硬化較強烈；在相同接觸壓力下，鍍鋅板基板強度越高，摩擦因數越低；隨著接觸壓力增大，低強度鍍鋅板摩擦因數由0.154降為0.136，高強度鍍鋅板摩擦因數由0.140降至0.135；隨著接觸壓力的進一步增加，摩擦因數降低的趨勢變緩。基于黏著理論深入分析了基板強度影響摩擦因數的原因，得出如下結論：摩擦因數主要由α值（總的實際接觸面積中模具和鍍層直接接觸部分百分比）和基板表面顯微硬度決定；基板強度是決定基板表面顯微硬度和α值的主要因素；隨著接觸壓力增大，不同的加工硬化率會使不同強度基板的表面顯微硬度逐漸接近，致使α差異減小，最終使基板強度對鍍鋅板摩擦因數影響減弱。

摩擦因數；接觸壓力；基板強度；加工硬化；黏著理論

中國迅猛發展的汽車工業需要大量性能優秀的冷軋系列鍍鋅板。但在鍍鋅板各種沖壓成形過程中，由于承受接觸壓力、摩擦力以及較大塑性變形的作用，鍍層通常會發生開裂、剝落和粉化、劃傷和黏鋅等現象，以及摩擦因數明顯增加導致成形開裂等問題，并且這些問題會隨著成形溫度、速率、潤滑條件和變形條件的變化而變化［1］。

在過去的10年，許多學者對影響摩擦因數的因素進行了研究。Nakajima S.［2］，Szakaly E.D.［3］等使用平板滑動實驗裝置發現合金化熱鍍鋅板（簡稱GA板）和熱鍍鋅板表面摩擦因數隨著壓力的增加而降低。Michal G.M.［4］等采用杯沖實驗發現合金化熱鍍鋅鋼板的表面摩擦因數隨著沖壓速率的增加而降低。Abotani K.［5］，Lee B.H.［6］，GONG H.Y.［7］，Andrzej Matuszak［8］等發現隨著潤滑劑黏度的增加熱鍍鋅鋼板表面摩擦因數逐漸下降。Yanagida A［9］等采用熱沖壓實驗發現，隨著溫度的增加，鍍鋅板摩擦因數上升。Lee B.H.［6］等發現鍍鋅板摩擦因數在鍍層表面粗糙度為0.5～1μm時最小，過大或過小的表面粗糙度都會使摩擦因數升高。Garza L.G.［10］，張理揚［11］等發現合金化熱鍍鋅IF鋼摩擦因數會隨著鍍層表面ξ相的增多而升高。Michal G.M.［4］等采用杯沖實驗發現電鋅鋼板鍍層較軟的表面摩擦因數較高，基板強度對電鍍鋅鋼板表面摩擦基本沒有影響。

目前摩擦過程機理還有很多不明之處，摩擦對薄板成形過程的影響很少。大多數研究者研究了外部因素（如壓力、速率、潤滑油、溫度等）或鍍層本身的性質（如表面粗糙度、表面形貌、表面顯微硬度等）對摩擦因數的影響，但很少有人研究鍍鋅板基板對摩擦因數的影響。本工作采用平板滑動摩擦測量裝置研究了不同接觸壓力下基板強度對合金化熱鍍鋅鋼板摩擦因數的影響，利用黏著理論深入分析了基板影響摩擦因數的原因，為制定汽車板的沖壓工藝提供了理論依據。

1 實驗

選用4種基板材料，分別是兩種屈服強度為150MPa左右的IF鋼和兩種屈服強度超過300MPa的微合金高強度鋼。根據GB／T 3822—1999，利用Leica VMHT 30M顯微硬度計（載荷為25g，加載時間為15s）測量不同摩擦條件下鍍層表面顯微硬度和不同變形情況下裸板的表面顯微硬度，根據GB／T2523—2008，利用表面粗糙度儀TR200測量鍍層表面粗糙度。

采用平板滑動摩擦測量裝置（樣品在上下加壓力P的平面模具之間，對樣品加拉力F使之在模具間滑動，從而測定摩擦因數，示意圖如圖1所示，因模具接觸面積恒定，可將壓力化為單位面積接觸壓力）。

圖1 摩擦因數測量裝置示意圖Fig.1 Schematic of friction coefficient measurement device

測量不同接觸壓力下合金化熱鍍鋅鋼板的摩擦因數μ，計算式如式（1）所示：

2 實驗結果

表1是所選基板制備合金化熱鍍鋅板的力學性能。表2是鍍鋅板的鍍層特性，圖2是兩種典型基板強度鍍鋅板的表面形貌。從表1可以看出，IF鋼試樣270E和270F強度與微合金高強度鋼試樣440W和590R強度相差一倍左右（本文中鋼種級別和牌號來源于日本鋼鐵聯盟標準）。從表2和圖2可以看出：4種試樣鍍層厚度、鍍層質量和鍍層表面粗糙度相差不超過5%；鍍層表面顯微硬度相差不超過10%；兩種典型基板強度鍍鋅板鍍層表面形貌差異不大。

表1 合金化熱鍍鋅板力學性能Table 1 Mechanical properties of galvannealed steel sheets

圖3是不同拉伸變形下各試樣裸板表面顯微硬度的變化情況，可以看出屈服強度較低的IF鋼板表面顯微硬度值也較低；但隨著變形量的增加，IF鋼板的表面顯微硬度迅速升高，幅度超過100%；微合金高強鋼板表面初始硬度較高，但表面顯微硬度隨變形量增加變化不大（升高幅度不超過15%）。可以得出：IF鋼板的加工硬化作用要比微合金高強鋼板強烈。圖4是不同接觸壓力下各試樣鍍層表面顯微硬度的變化，可以看出，雖然各試樣鍍層表面顯微硬度隨著接觸壓力的變化而變化，但和原始鍍層表面顯微硬度相比波動不大，不超過10%，因此可以忽略摩擦條件對各試樣鍍層表面顯微硬度的影響。

表2 合金化熱鍍鋅板鍍層特性Table 2 Coating properties of galvannealed steel sheets

圖2 兩種典型基板強度 GA板表面形貌 （a）270E－GA；（b）440W－GAFig.2 Surface morphologies of different typical substrate strength of galvannealed steel sheets（a）270E－GA；（b）440W－GA

在滑動速率為200mm／min，溫度為室溫20℃，使用 NR550HN 潤滑油（40℃，運動黏度為 19.72 mm2／s）的條件下，分別采用5，10，20MPa三種接觸壓力，對4種合金化熱鍍鋅板材摩擦因數的實驗結果如圖5所示。可以看出：隨著接觸壓力的增大，低強度鍍鋅板摩擦因數由0.154降為0.136，高強度鍍鋅板摩擦因數由0.140降至0.135，但接觸壓力較大時，摩擦因數降低的趨勢變緩；低強度的IF鋼GA板摩擦因數受接觸壓力的影響較大；在較低的接觸壓力下，高強度的微合金高強鋼GA板摩擦因數明顯比低強度的IF鋼GA板低，但隨著接觸壓力的進一步增加，基板強度對鍍鋅板摩擦因數的影響減弱。

圖5 不同接觸壓力下基板強度對GA板摩擦因數的影響Fig.5 The effect of substrate strengh on friction coefficient of galvannealed steel sheets under different contact pressure

3 分析與討論

從實驗結果可以看出，各試樣GA板鍍層厚度、鍍層質量、鍍層表面顯微硬度、鍍層表面粗糙度相差較小，兩種典型基板強度鍍鋅板鍍層表面形貌差異不大，因此，各試樣GA板鍍層特性對摩擦因數的影響很小，在其他外部實驗條件一致的情況下，基板強度是影響GA板摩擦因數的主要因素。

本實驗潤滑為邊界潤滑，根據黏著理論［12］，實驗中的摩擦力可以看做是剪斷表面黏著部分的剪切力和剪斷邊界潤滑膜的剪切力之和，即

式中：A為總的實際接觸面積；α為總的實際接觸面積中模具和鍍層直接接觸部分百分比；τb為鍍層表面的抗剪強度；τf為邊界潤滑膜的抗剪強度。

對于鍍鋅板，當鍍層厚度為微米數量級時，模具和鍍層實際接觸面積取決于基體硬金屬，抗剪強度則取決于表面鍍層［12］。而壓力N由微凸體的接觸和邊界潤滑膜的接觸來承擔，故

式中：σs為基體鋼板的塑性流動壓力，約等于基板表面顯微硬度；σsf為邊界潤滑膜的屈服強度。

由此可得邊界潤滑時的摩擦因數為：

假設μ1是低強度的IF鋼GA板摩擦因數，σs1，α1，A1分別是低強度IF鋼GA板的基板塑性流動壓力、總的實際接觸面積中模具和鍍層直接接觸部分百分比和總的實際接觸面積；而μ2是高強度HSLA鋼GA板摩擦因數，σs2，α2，A2分別是高強度的 HSLA鋼GA板的基板塑性流動壓力、總的實際接觸面積中模具和鍍層直接接觸部分百分比和總的實際接觸面積。在摩擦過程中，這兩種鍍鋅板鍍層特性相差不大，τb可以視為常數，在相同摩擦條件下τf也相同。因此：

顯然，鍍層表面的抗剪強度τb遠大于邊界潤滑膜的抗剪強度τf。在相同的壓力下，由圖3可知，低強度的IF鋼GA板基板的表面顯微硬度較低，故σs1低、α1值大、A1值高，而基板強度高的鍍鋅板σs2高、α2值小、A2值低。由于α1＞α2，所以；由于摩擦條件相同，所以P1＝P2，而A1＞A2，根據公式，因此即μ1＞μ2。顯然σs1與σs2，α1與α2相差越大，μ1，μ2相差越大。而基板強度是決定基板表面顯微硬度σs、總的實際接觸面積中模具和鍍層直接接觸部分百分比α的主要因素，因此基板強度越高，摩擦因數越低，這也被實驗結果所證實（圖5）。圖6（a），（b）是接觸壓力較小時（5MPa）兩種典型基板強度GA板表面鍍層損傷情況，從圖6（a），（b）可以看出：高強度鍍鋅板440W表面損傷較輕，即實際接觸面積中模具和鍍層直接接觸部分低，所以440W－GA板α值比270E－GA板低；而由圖3可知440W－GA板基板表面顯微硬度σs比270E－GA板基高。因此，440W－GA板摩擦因數較270E－GA板低，這也進一步驗證了基板強度高的GA板摩擦因數較小。

在摩擦過程中，接觸壓力由基體鋼板和潤滑油膜承擔，試樣基板表面也會經歷加工硬化，由圖2可知，低強度的IF鋼加工硬化要比高強度的HSLA鋼強烈，可以認為，在受壓的情況下，IF鋼的加工硬化同樣要比HSLA鋼強烈。隨著接觸壓力的增加，高強度GA板基板表面顯微硬度與低強度GA板基板表面顯微硬度差異逐漸縮小。因此，在較高的接觸壓力下，HSLA鋼GA板與IF鋼GA板σs和α值相差減小，導致高強度GA板與低強度GA板摩擦因數相差不大（圖5）。圖6（c），（d）是接觸壓力較大時（20MPa）兩種典型基板強度GA板表面鍍層損傷情況，可以看出，低強度270E－GA板與高強度440W－GA板鍍層損傷情況接近，兩種不同基板強度GA板模具和鍍層直接接觸部分百分比α基本相等；而由圖3可知，在較高接觸壓力下440W－GA板和270E－GA板基板表面顯微硬度σs相差較小。因此，440W－GA板和270E－GA板摩擦因數相差不大。這也進一步驗證了在較高的接觸壓力下，由于基板加工硬化率的不同而導致兩種基板強度的GA板摩擦因數相差不大。

4 結論

（1）屈服強度較低的IF鋼板表面顯微硬度值較低，但隨著變形量的增加，IF鋼板的表面顯微硬度迅速升高，幅度超過100%；微合金高強鋼板表面初始硬度較高，但表面顯微硬度隨變形量增加變化不大（升高幅度不超過15%）。在相同的變形情況下，低強度基板加工硬化要比高強度基板強烈。

圖6 不同接觸壓力不同基板強度 GA板摩擦后表面磨損形貌 （a），（c）270E－GA；（b），（d）440W－GAFig.6 Surface wear morphology of different substrate strength of galvannealed steel sheets under different contact pressure（a），（c）270E－GA；（b），（d）440W－GA

（2）相同接觸壓力下，基板強度越高，摩擦因數越低；隨著接觸壓力的增大，低強度鍍鋅板摩擦因數由0.154降為0.136，高強度鍍鋅板摩擦因數由0.140降至0.135；隨著壓力的進一步增加，降低的趨勢變緩。

（3）摩擦因數的大小主要由模具與鍍層直接接觸部分占總接觸面積百分比α和基板表面顯微硬度決定；基板強度是決定基板表面顯微硬度和α的主要因素；隨著接觸壓力增大，不同強度基板的加工硬化率會使基板表面顯微硬度逐漸接近，致使α差異減小，最終使基板強度對鍍鋅板摩擦因數影響減弱。

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Effects of Substrate Strength on Friction Coefficient of Galvannealed Auto Steel Sheets

LI Bo1，KANG Yong－lin1，ZHU Guo－ming1，GAO Yong－jian2
（1School of Materials Science and Engineering，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2Guangzhou JFE Steel Sheet Co.，Ltd.，Guangzhou 511464，China）

Friction coefficient of galvannealed steel sheets under different contact pressure was studied by sliding test.The results show that，at the same deformation，the work－hardening of the lowstrength substrate is stronger than that of high－strength substrate；the friction coefficient of the highstrength substrate galvannealed steel sheets is lower at the same contact pressure.Moreover，the friction coefficient of low－strength substrate galvanized steel sheets decreases from 0.154to 0.136，and the friction coefficient of high－strength substrate galvanized steel sheets decreases from 0.140to 0.135，when the contact pressure increases，but at the higher contact pressure，the decrease extent of friction coefficient is slow down.Furthermore，the effect of substrate strength on the friction coefficient using adhesion theory was investigated.The conclusions are as followings：friction coefficient is decided byα（mold and coating direct contact percentage of the total actual contact area）and substrate surface micro－hardness；αand substrate surface micro－hardness are mainly determined by substrate strength；the different substrate surface micro－hardness moves close to each other because of different work－hardening as the contact pressure increases，contributing toαequality，and finally the effect of substrate strength on friction coefficient of galvannealed steel sheets would be low.

friction coefficient；contact pressure；substrate strength；work hardening；adhesion theory

TG356.16

A

1001－4381（2012）08－0014－05

2011－10－27；

2012－04－14

李波（1986－），男，博士研究生，從事汽車用薄鋼板研究，聯系地址：北京科技大學材料科學與工程學院（100083），E－mail：libo＿ustb＠126.com

康永林（1954－），男，博士，教授，從事汽車板研究，聯系地址：北京科技大學材料科學與工程學院（100083），E－mail：kangylin＠mater.ustb.edu.cn