裸板熱成型表面狀態(tài)對(duì)氧化鐵皮影響因素分析

周國平，李建英，裴宏江，姜嘉瑋，王 耐

（唐山鋼鐵集團(tuán)有限公司，河北 唐山 063016）

隨著汽車行業(yè)的快速發(fā)展，國際、國內(nèi)對(duì)汽車的安全性、排放等要求也越來越高。安全性以及排放標(biāo)準(zhǔn)的提高對(duì)于汽車用鋼來講主要是依靠強(qiáng)度的提升來實(shí)現(xiàn)車身的減重，同時(shí)安全系數(shù)的提升。由于汽車零部件均有一定的形狀，對(duì)于成形加工而言，減薄以及強(qiáng)度的提升，均是增加成形難度的重要因素。不僅使零部件在成形過程中容易開裂，還容易產(chǎn)生回彈，增加裝配難度。這樣一種新技術(shù)就應(yīng)用而生-熱沖壓成形技術(shù)[1]。由于零部件是在高溫下成形的，同時(shí)在成型后通過快速冷卻實(shí)現(xiàn)了組織強(qiáng)化，得到了高強(qiáng)性能。就一并解決了高強(qiáng)鋼成形困難以及回彈的問題[2]。雖然解決了成型以及回彈的問題，由于需要高溫加熱，不可避免的就會(huì)有氧化鐵皮的產(chǎn)生，氧化鐵皮會(huì)污染磨具，同時(shí)影響生產(chǎn)節(jié)奏。

在實(shí)際生產(chǎn)中不同的熱成型原料生產(chǎn)的零件的氧化鐵皮脫落的情況不一致，對(duì)模具的污染程度也不相同。氧化鐵皮的產(chǎn)品是多方面因素的，加熱爐氣氛的種類、加熱爐店內(nèi)的爐壓、加熱爐的生產(chǎn)節(jié)奏及在沖壓過程中的摩擦/擠壓、帶鋼本身表面狀態(tài)。為了分析帶鋼表面狀態(tài)對(duì)熱成型過程中產(chǎn)生的氧化鐵皮脫落的影響，本文主要是對(duì)22MnB5為基材的1500MPa級(jí)熱沖壓產(chǎn)品的氧化鐵皮狀態(tài)、組織等進(jìn)行了模擬分析，重點(diǎn)研究表面形貌對(duì)氧化鐵皮致密度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

為分析22MnB5冷軋板熱沖壓過程中氧化鐵皮異常脫落現(xiàn)象的成因，根據(jù)熱沖壓廠實(shí)際生產(chǎn)工藝制定熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)溫度控制曲線如圖1所示。加熱過程嚴(yán)格模擬生產(chǎn)線的保護(hù)氣氛等條件。從降溫過程開始，向熱力模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)內(nèi)通入空氣，使試樣表面發(fā)生高溫氧化反應(yīng)，此階段模擬實(shí)際熱沖壓中料片從加熱爐轉(zhuǎn)移到模具中與空氣接觸的狀態(tài)。樣片具體信息如下表所示：

表1 各組試樣材料信息及處理工藝

其中，設(shè)置表面粗糙度參數(shù)Ra=0.6與Ra=1.0的試樣目的是探究表面粗糙度參數(shù)Ra對(duì)氧化鐵皮附著性的影響；設(shè)置取樣位置分別為邊部和心部目的是探究料片不同位置氧化鐵皮附著性的穩(wěn)定性；設(shè)置酸洗工藝目的是探究可能存在的料片表面元素富集層對(duì)氧化鐵皮附著性的影響。

1.1 表層氧化鐵皮分析

除試樣1以外，各組試樣表面氧化鐵皮均出現(xiàn)大面積的塊狀和粉末狀脫落。實(shí)驗(yàn)室熱模擬結(jié)果與熱沖壓廠實(shí)際沖壓效果一致，說明可以用實(shí)驗(yàn)室熱模擬的方式對(duì)實(shí)際熱沖壓結(jié)果進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。心部取樣和邊部取樣、酸洗前后的試樣、表面粗糙度Ra=1.0及Ra=0.6的試樣均存在氧化鐵皮脫落現(xiàn)象，同時(shí)。Ra=1.0的試樣略優(yōu)于Ra=0.6的試樣。

為探究導(dǎo)致氧化鐵皮附著能力差異的原因，分析各組試樣表面氧化鐵皮的結(jié)構(gòu)是否存在差異。本部分實(shí)驗(yàn)所檢測的材料取樣于上一節(jié)中經(jīng)過熱模擬實(shí)驗(yàn)的五組試樣，經(jīng)超聲波對(duì)各組試樣進(jìn)行表面清洗，除去機(jī)械加工帶來的油污等雜質(zhì)，后鑲樣并機(jī)械拋光，進(jìn)行微觀形貌以及線掃描分析。通過微觀形貌觀察比較各組試樣表面氧化鐵皮結(jié)構(gòu)的完整性。

通過對(duì)五組試樣氧化鐵皮層的電鏡形貌觀察可得，試樣1的表面氧化鐵皮層結(jié)構(gòu)較為完整，氧化鐵皮層中的裂紋較少，與宏觀上結(jié)果基本一致，附著的較為緊密，基本沒有氧化鐵皮脫落的現(xiàn)象。試樣2到試樣5的表面氧化鐵皮層結(jié)構(gòu)均有不同程度的破損，氧化鐵皮層中的裂紋較多，同樣與宏觀結(jié)果一致，表面的氧化鐵皮層均脫落現(xiàn)象比較嚴(yán)重。

圖1 各組試樣氧化鐵皮線掃描檢測結(jié)果

通過線掃描得到Fe與O元素在在氧化層不同深度處的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，計(jì)算出氧化鐵皮層內(nèi)隨深度變化不同位置鐵氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)比。得到各組試樣的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。從表中可以看出各組試樣氧化鐵層由外到內(nèi)的鐵氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)比均逐漸升高，達(dá)到峰值后趨于穩(wěn)定，且峰值大致相同。五組試樣數(shù)值均大致相同，沒有明顯的差別。故未在氧化鐵皮層物相結(jié)構(gòu)上發(fā)現(xiàn)五組試樣存在明顯差異。

1.2 基體表面元素富集的表征

為分析熱沖壓前料片是否有氧化相關(guān)元素富集在表面，以及元素富集狀況是否對(duì)氧化鐵皮附著能力有所影響，使用電子探針對(duì)熱成型前的試樣1和試樣2表面進(jìn)行面掃描分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

從檢測結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣1與試樣2表面氧化相關(guān)元素均沒有明顯的富集現(xiàn)象，推斷氧化鐵皮附著能力與表面元素分布狀況無關(guān)。氧元素在兩試樣表面均有微量富集，推測是常溫氧化生成的微量氧化物。

圖2 試樣面掃描分析結(jié)果

由于試樣在模擬熱成型后表面氧化鐵皮的形態(tài)相差很多，但是表層金屬元素富集情況幾乎相同，由此可見氧化鐵皮的產(chǎn)生與表面元素富集非正相關(guān)。

1.3 表面微觀形貌的表征

為探究表面微觀形貌與氧化鐵皮附著能力的關(guān)系，使用電子顯微鏡在各組試樣表面采集微觀形貌圖像(X500)，并使用曲線擬合出試樣表面波動(dòng)，提取出各組試樣多個(gè)位置的擬合曲線進(jìn)行對(duì)比分析。每組試樣取四條擬合曲線，統(tǒng)計(jì)每條表面形貌曲線的峰值數(shù)目，并進(jìn)行各組試樣間的橫向?qū)Ρ取?shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表2和圖3所示。

圖3 各組試樣峰值數(shù)目折線圖

表2 各組試樣峰值數(shù)目統(tǒng)計(jì)表

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可得，試樣1，即合格料片表面的峰值密度明顯高于其他四組。推測表面峰值密度是影響氧化鐵皮附著能力的關(guān)鍵因素。

1.4 基體表面形貌對(duì)氧化行為影響的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為探究表面峰值密度是否是影響氧化鐵皮附著能力的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)如下實(shí)驗(yàn)。使用240號(hào)砂紙打磨冷軋板的表面，人工制造較大的表面峰值密度。使熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)再次模擬實(shí)際熱沖壓過程，試樣編號(hào)及所對(duì)應(yīng)的意義如下。

試樣6: 砂紙打磨過的連退板；熱模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)工藝與上面相同，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，試樣6表面氧化鐵皮附著緊密，沒有氧化鐵皮脫落現(xiàn)象和裂紋出現(xiàn)，氧化鐵皮附著效果達(dá)到試樣1水平。為探究表面峰值密度是否是氧化鐵皮附著能力的決定性因素，使用掃描電子顯微鏡在試樣1、試樣2、試樣6表面采集微觀形貌圖像(×500)，并使用曲線擬合出試樣表面波動(dòng)，提取出試樣十個(gè)位置的擬合曲線進(jìn)行對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表3所示。由于試樣2至試樣5在工業(yè)板的熱模擬實(shí)驗(yàn)后的峰值密度統(tǒng)計(jì)結(jié)果相同，氧化鐵皮附著能力也相似。

表3 各組試樣峰值數(shù)目統(tǒng)計(jì)表

由統(tǒng)計(jì)結(jié)果可得，在微觀上，試樣1與試樣6的表面峰值密度大致相當(dāng)，處于較高水平，同時(shí)均明顯高于試樣2的表面峰值密度。同時(shí)在宏觀上，試樣1與試樣6氧化鐵皮附著效果較好，基本氧化鐵皮層不出現(xiàn)脫落和裂紋現(xiàn)象。而試樣2氧化鐵皮附著效果較差，氧化鐵皮層脫落嚴(yán)重。使用砂紙打磨試樣從而提高鋼板表面峰值密度的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了上文中熱模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)論，即較高的表面峰值密度可以促使22MnB5退火板具有較強(qiáng)的氧化鐵皮附著能力。表面峰值主要的表現(xiàn)狀態(tài)為鋼板的粗糙度。

2 結(jié)論

通過以上選取不同表面狀態(tài)的鋼板進(jìn)行熱成型工藝的模擬試驗(yàn)結(jié)果的分析，帶鋼表面狀態(tài)對(duì)熱沖壓后的氧化鐵皮有影響。得出如下結(jié)論：①熱成型后帶鋼表面氧化鐵皮容易脫落除與加工工藝有關(guān)外，與氧化鐵皮本身結(jié)構(gòu)有關(guān)系。②冷軋及酸洗產(chǎn)品等造成的帶鋼表面元素富集與熱成型后氧化鐵皮容易脫落沒有相關(guān)性。③冷軋表面粗糙情況即粗糙度大小對(duì)熱成型后氧化鐵皮脫落有影響，粗糙度越大，脫落現(xiàn)象越輕。