22MnB5硼鋼裸板熱成形中的高溫摩擦

高凱翔, 王武榮,2, 韋習成, 孟 華

(1. 上海大學 材料科學與工程學院， 上海 200444；2. 上海大學 省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室， 上海 200444；3. 香港城市大學 機械工程系， 香港 999077)

高強度鋼板具有較高的強度質量比，可滿足汽車輕量化的要求并提高汽車碰撞安全性，因此已廣泛應用于汽車行業[1-3].采用傳統冷沖壓工藝成形時，鋼板容易出現起皺、開裂以及回彈變形等問題.與傳統冷沖壓成形工藝相比，熱沖壓成形技術可以提高鋼板的塑性和延伸率，減小回彈，并具有更高的成形極限以及較低的成形力.22MnB5超高強度硼鋼是汽車行業中應用最廣泛的熱沖壓成形材料[4].但在其成形過程中，摩擦會影響成形件的質量，甚至阻礙材料流動，造成沖壓開裂和模具急劇磨損，進而降低生產效率.因此，有必要研究22MnB5超高強度硼鋼熱成形工藝條件下的摩擦行為.

實際熱沖壓工藝為：先將試樣在860～950 ℃條件下保溫3～10 min，完成奧氏體轉變[5]；再將試樣快速轉移至具有冷卻系統的模具中，試樣在800～850 ℃的范圍內開始成形并完成淬火[6]，試樣的臨界冷卻速率是27 ℃/s[7].根據條件模擬原則，在研究22MnB5的高溫摩擦行為時，應使試樣先完成奧氏體化，再將試樣經過快速轉移置于模具中，最后在冷卻速率大于27 ℃/s的條件下進行高溫摩擦試驗.例如，Hardell等[8]研究了鋁硅鍍層的超高強度硼鋼與不同模具間的摩擦磨損行為.先將圓盤狀試樣加熱到一定溫度，再以工具鋼做成的銷向試樣施加載荷，試驗過程中最高摩擦溫度為800 ℃.但其實驗中試樣未進行奧氏體化.Ghiotti等[9]研究鋅鍍層的22MnB5鋼在熱沖壓中的摩擦學特性試驗時，將板帶狀試樣夾在加熱臺上加熱至某一溫度后進行高溫摩擦，最高摩擦溫度為800 ℃.Mu等[10]在研究22MnB5超高強度硼鋼和H13工具鋼的摩擦學特性時，將盤狀試樣加熱到一定溫度后再與環狀模具接觸，進行高溫摩擦試驗，最高摩擦溫度為850 ℃.上述研究大多未能模擬實際熱沖壓過程中鋼材的奧氏體化，且基本采用純模冷卻進行板材降溫，因此沒有真正模擬實際生產條件下鋼材的高溫摩擦過程.

本文使用自主研發的具有額外冷卻系統的高溫摩擦試驗機研究22MnB5的高溫摩擦行為，該試驗可以較好地模擬實際熱沖壓生產過程.首先，采用加熱爐對試樣加熱，使其完成奧氏體化.再以預設的轉移速度將試樣從加熱爐中快速轉移出來.當試樣的被加熱部分處于摩擦工具下方時，加載系統向試樣施加一定法向載荷，同時拉伸系統對試樣進行拉伸，試樣在一定滑動速度下進行高溫摩擦試驗.試驗過程中向摩擦工具通冷卻水對試樣進行淬火處理.分別分析初始摩擦溫度、滑動速度和壓強等參數對22MnB5超高強度硼鋼的高溫摩擦行為的影響.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料為22MnB5硼鋼裸板，其原始組織主要由鐵素體和珠光體構成，試樣尺寸為 1 000 mm×20 mm×1.6 mm.試驗前，使用金相砂紙對試樣的切割截面進行打磨并拋光，試樣的初始表面粗糙度(Ra)約為 0.114 μm.對磨材料使用的是淬回火處理過的H13熱作模具鋼，每次試驗前使用金相砂紙沿垂直摩擦方向打磨摩擦接觸表面，其初始表面粗糙度約為 0.152 μm.摩擦副材料的化學組成和維氏硬度值如表1所示，表中w為質量分數.

圖1 高溫摩擦試驗機示意圖

1.2 試驗設備

試驗設備如圖1所示.杠桿加載系統為摩擦試驗提供穩定的法向載荷.冷卻系統由安裝在加載系統中的摩擦工具和冷卻通道組成，見圖2.摩擦工具上有直徑5 mm的冷卻孔，冷卻孔與銅管連接組成冷卻通道，冷卻通道在試驗中通冷卻水以模擬實際熱沖壓中模具的冷卻系統，為高溫摩擦過程提供額外的冷卻條件.S型力傳感器通過高速記錄儀記錄高溫摩擦過程中的拉力.其一端固定在拉伸系統的滑塊上，另一端與板帶試樣連接在一起.拉伸系統配有步進電機，為試驗機提供動力.當試樣轉移速度為50 mm/s時，試樣初始摩擦位置的溫度變化及冷卻速率如圖3所示，圖中t為時間，T為溫度，δ為冷卻速率.從圖中可以看出，試樣轉移至摩擦工具下方開始摩擦時，溫度大約為930 ℃.試樣溫度高于600 ℃時，其初始摩擦位置的冷卻速率高于臨界冷卻速率.使用相同測溫方法確定出當試樣的轉移速度為30和15 mm/s時，初始摩擦溫度約為730 ℃和630 ℃.

圖2 摩擦工具示意圖(mm)

圖3 試樣初始摩擦位置的溫度和冷卻速率

高溫摩擦試驗中，摩擦力由高速記錄儀實時記錄.選取恒溫區內300 mm摩擦距離的數據計算摩擦系數：

(1)

式中：F為由力傳感器測得的實時拉力；P為法向載荷.

平均摩擦系數的計算公式為

(2)

式中：L為摩擦距離；L0為摩擦距離起始點；LS為總摩擦距離.

1.3 試驗方法

首先設置高溫加熱爐的溫度并將試樣的一端與S型力傳感器相連.當加熱爐溫度達到設定溫度時，將試樣的另一端放入加熱爐中加熱并保溫5 min.隨后，打開冷卻系統，調節水流量為5 L/min.再啟動步進電機，拉伸系統以預先設置的轉移速度將試樣從加熱爐中快速拉出以模擬實際熱沖壓的快速轉移過程.當試樣的恒溫加熱部分到達摩擦工具下方時，加載系統向試樣施加法向載荷，同時拉伸系統以預先設置的滑動速度拉動試樣以完成高溫摩擦試驗.

高溫摩擦試驗分3組，具體試驗參數見表2.

表2 高溫摩擦試驗參數

2 結果與討論

2.1 初始摩擦溫度的影響

先將試樣在930 ℃條件下保溫5 min，再經過不同的轉移速度分別降溫至830、730以及630 ℃后進行高溫摩擦試驗.測得相同額外冷卻條件下試樣的摩擦系數如圖4所示.經計算可知，初始摩擦溫度分別為830、730以及630 ℃時，試樣的平均摩擦系數分別為 0.371、0.376 和 0.393，即試樣經不同時間轉移冷卻后，不同摩擦初始溫度下的摩擦系數區別不大.

試驗過程中，試樣從高溫爐中移出后會接觸大量空氣，其表面快速形成氧化層.經轉移接觸摩擦工具后，在一定法向載荷和滑動速度下，氧化層發生破碎并堆積在試樣表面.初始摩擦溫度分別為830、730以及630 ℃時，堆積氧化物的平均厚度約為 42.53、41.07以及 44.16 μm，而試樣表面粗糙度差別不大，分別為 17.356、20.600以及 22.253 μm.但初始摩擦溫度為630 ℃，摩擦距離約120 mm處的表面粗糙度為 37.232 μm，說明此摩擦距離附近有比較凸出的氧化物燒結，引起摩擦系數的增大.

圖5為不同初始摩擦溫度下試樣橫截面的微觀組織.可以看出， 試樣表面有氧化物碎屑堆積.這些氧化物在摩擦界面起到支撐作用， 隔離試樣與摩擦工具的直接接觸[11]，并在摩擦過程中起到潤滑作用[10].另外，這些氧化物的表面較平整，且3種初始摩擦溫度下氧化物層的厚度基本一致，因此各試樣的摩擦系數差別不大.從圖5還可以看出，試樣橫截面上的氧化層均有不同程度的裂紋.該裂紋的形成和氧化層的化學成分有關.試樣從高溫爐中移出后接觸大量空氣，其表面快速形成成分為FeO、Fe2O3以及Fe3O4三者混合物的氧化層.在600～800 ℃之間，FeO、Fe2O3以及Fe3O4的熱膨脹系數差別較大，分別為 1.7×10-5， 1.25×10-5以及 1.5×10-5℃-1，接近Fe在800 ℃的熱膨脹系數(1.46×10-5℃-1)[12].由于FeO 是金屬和Fe3O4之間的中間層，FeO的熱膨脹系數較大，于是在額外冷卻條件下，溫度的急劇變化導致其在滑動中破裂.并且，試樣表面形成的氧化物成分依賴于溫度.FeO在570 ℃以下時不穩定，但經淬火過程能保留下來[12].對初始摩擦溫度為830 ℃的試樣表面氧化物進行X射線衍射測試，見圖6.可以看出，該氧化物的主要組成為FeO、Fe2O3和Fe3O4且3種氧化物的質量比約為1∶19∶18.氧化物在摩擦過程中發揮保護和潤滑作用，根據相關文獻，Fe3O4比Fe2O3的減摩作用更為明顯[13].

圖4 不同初始摩擦溫度下的摩擦系數

圖5 不同初始摩擦溫度下試樣橫截面的掃描電鏡圖

圖6 試樣表面氧化物的X射線衍射圖

2.2 滑動速度的影響

將試樣加熱至930 ℃保溫5 min并經快速轉移降溫至830 ℃后，在相同的額外冷卻條件下，以不同的滑動速度進行高溫摩擦試驗，測得的摩擦系數如圖7所示.由圖可以看出，當滑動速度為5 mm/s時，試樣的摩擦系數較高，平均摩擦系數為 0.483；而滑動速度為15和25 mm/s時，試樣的平均摩擦系數較小，分別為 0.371 和 0.384.圖8所示為不同的滑動速度時試樣表面以及橫截面的掃描電鏡圖.當滑動速度為5 mm/s時，試樣表面的氧化層因與摩擦工具的接觸時間較長而被壓碎并形成小塊氧化碎屑(圖8(a))，且氧化物堆積的厚度不均勻，約37～55 μm，因此試樣表面凹凸不平，摩擦系數較大且不穩定.當滑動速度為15和25 mm/s時，由于滑動速度較快，試樣表面的氧化層形成面積較大、相對平整、平均厚度約為 42.53 和 45.07 μm的堆積塊，試樣表面粗糙度約為 17.356 和 20.311 μm.在摩擦過程中，堆積塊能在摩擦界面起到支撐塊作用，影響試樣基體與摩擦工具的直接接觸，從而降低試樣的摩擦系數.

圖7 不同滑動速度下的摩擦系數

圖8 不同滑動速度下試樣表面和截面掃描電鏡圖

2.3 法向載荷的影響

以830 ℃為初始摩擦溫度，在相同額外冷卻條件和不同法向載荷下進行摩擦試驗得到的摩擦系數如圖9所示.可以看出，法向載荷分別為525、720以及910 N時，試樣的平均摩擦系數分別為 0.371、0.535 以及 0.625，即隨著法向載荷的增加，摩擦系數變大.文獻[10,14]中發現，在一定載荷下，試樣表面形成的平整氧化物磨屑有利于摩擦；而Hardell[15]等的研究指出，單向滑動摩擦中，保護性氧化層的形成依賴于接觸界面保留磨屑的能力.

圖9 不同法向載荷下的摩擦系數

圖10為不同法向載荷下試樣表面和截面的掃描電鏡圖.從圖10(b)和(c)可以看出，當法向載荷為720和910 N時，試樣表面的氧化物幾乎被摩擦移除，只零星地分布著被壓實的小塊氧化物堆積，且試樣表面出現明顯劃痕.測得試樣表面粗糙度約為 14.741 μm和 19.377 μm.摩擦系數較大主要是由金屬基體直接接觸摩擦而造成的.相比于720，910 N法向載荷條件下試樣表面的劃痕更多，更長(圖10(c))，因此試樣的表面粗糙度也更大.這也說明，法向載荷較大時，氧化物碎屑產生堆積后可能嵌入軟化的金屬基體中并隨摩擦移動，在基體上產生劃痕，阻礙摩擦，使摩擦系數增大.從截面掃描電鏡圖中可看出試樣基體上堆積了較碎的氧化物，但在較大載荷下(720和910 N)，堆積氧化物的頂層并不平整，而不平整的摩擦界面也會造成摩擦系數的增大.

圖10 試樣在不同法向載荷下的表面和截面的掃描電鏡圖

3 結論

本文使用帶有額外冷卻系統的試驗機模擬實際熱沖壓工藝過程中板材與熱作模具鋼之間的高溫摩擦過程.主要結論如下：

(1) 在額外冷卻條件下，由于摩擦前試樣表面形成的氧化物在摩擦過程中能保護試樣表面并起到潤滑作用，所以初始摩擦溫度對22MnB5裸板高溫摩擦的影響并不明顯.

(2) 滑動速度在一定程度上影響22MnB5裸板的高溫摩擦.當滑動速度較小時，試樣表面形成厚度不均勻的氧化物碎屑堆積，造成試樣表面的平整性降低，從而增大摩擦；當滑動速度較大時，試樣表面氧化物碎屑的堆積平整且面積較大，在摩擦界面中能起到支撐作用，從而減小摩擦.

(3) 隨著法向載荷的增大，試樣表面的氧化物被大量去除，使金屬基體暴露而產生劇烈的摩擦.零星堆積的氧化物碎屑在試樣表面產生劃痕，不利于摩擦.