模具溫升對22MnB5硼鋼裸板高溫摩擦磨損特性的影響

蔣怡涵，吳佳松，王武榮，韋習成

(上海大學 材料科學與工程學院，上海 200072)

近年來，隨著能源短缺問題和環境污染問題日益嚴重，汽車輕量化成為節能減排的重要途徑[1-2].高強度鋼板和超高強度鋼板由于具有低成本、較好的抗撞及耐蝕性能，一直作為汽車輕量化的首選材料.與普通鋼相比，高強度鋼具有更高的屈服強度和抗拉強度，但在常溫下的塑性變形范圍窄、成形性能差、易開裂且回彈嚴重，傳統的冷沖壓成形工藝無法滿足生產需要[3].因此，高強度鋼板熱沖壓成形技術應運而生，可以在高溫下沖壓時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 ℃并保溫一段時間后其微觀組織轉變為奧氏體，經過成形及保壓淬火后微觀組織轉變為馬氏體，最終獲得超高強度的沖壓件[4].22MnB5硼鋼作為汽車行業中應用最廣的高強鋼材料，熱沖壓中的摩擦會嚴重影響成形件質量，甚至會阻礙材料流動而造成零件開裂、模具受損[5-6].因此，有必要對硼鋼在實際工藝條件下的摩擦行為進行研究.

有關板料與模具之間的摩擦學行為已經進行了大量的實驗.Tian等[7]使用自制板帶式摩擦磨損試驗機對高強鋼摩擦磨損行為進行研究發現，當板料加熱到500 ℃，相比于室溫條件下，其摩擦因數幾乎保持不變.溫度從500 ℃升高到600 ℃，其摩擦因數急劇增加.Ghiotti等[8]采用銷盤式摩擦磨損試驗機對硼鋼溫度為500～800 ℃的摩擦學行為進行研究，結果表明，一般情況下，硼鋼摩擦因數隨溫度增加而減小.Hardell等[9]采用銷盤式摩擦磨損試驗機研究室溫至800 ℃范圍內硼鋼摩擦因數的變化.結果表明，隨溫度升高，摩擦因數先下降，之后基本保持不變.上述研究中，高溫爐加熱溫度最高達到800 ℃，并不能模擬實際熱沖壓過程的奧氏體化，也均未真正模擬實際生產條件下的高溫摩擦過程.在實際生產條件下，隨連續快速沖壓件數增多，模具溫度逐漸升高，連續沖壓15個循環后模面最高溫度可超過200 ℃，而目前針對模具溫度對高強鋼的影響研究多集中于其組織及力學性能[10-12]，依舊缺乏有關模具溫度對硼鋼磨損行為的研究.因此，模擬實際熱沖壓過程，對不同模具溫度下硼鋼的摩擦行為及機理進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，磨損是熱沖壓過程中的常見問題.本文使用自主開發的板帶式高溫摩擦試驗機，實現對實際生產條件下的熱沖壓過程模擬，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其磨損機理的影響，以此模擬連續多次沖壓下板料的摩擦行為，對實際生產過程具有一定指導意義.

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

選用國內板材熱沖壓產線中大量使用的22MnB5硼鋼裸板作為試驗材料，如圖1所示，其原始組織主要由鐵素體和珠光體構成.其初始表面粗糙度Ra≈0.62 μm.試驗前使用金相砂紙對試樣表面線切割橫截面進行打磨拋光去毛刺處理.對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，通過粗糙儀將摩擦后模具表面粗糙度恢復至初始值0.15 μm左右.摩擦副材料的主要化學成分和硬度值如表1所示，表中w為元素質量分數.

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

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

1.2 試驗設備

采用課題組自制板帶式高溫摩擦試驗機進行試驗，試驗裝置如圖2所示.該裝置主要由加熱系統、加載系統及拉伸系統組成，摩擦工具示意圖見圖3，板料形狀圖及截面取樣位置見圖4.試驗中滑動速度由步進電機調節，將力傳感器安裝在拉伸系統的滑塊上以測量摩擦力，測量數據由高速無紙化記錄儀收集.

圖2 板帶式高溫摩擦試驗機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μ由下式獲得：

(1)

式中：F為實時拉力；P為加壓載荷.

平均摩擦因數μA為

(2)

式中：LS為摩擦距離；L0為摩擦距離起始點.

1.3 試驗方法

摩擦工具中鉆有通孔，用于插入加熱棒對其升溫，并設有測溫孔通過無紙化記錄儀及K型熱電偶，以確認模具升至所需溫度的升溫時間.每次實驗均按以下步驟進行：① 將加熱爐溫度設置為奧氏體化溫度930 ℃，試樣一端與力傳感器連接，當加熱爐溫度達到設定溫度時開啟步進電機，使試樣另一端進入加熱爐中，保溫5 min；② 保溫結束前，根據已測定升溫時間啟動加熱棒，使模具到達預設溫度時完成板料保溫過程；③ 停止加熱棒加熱并啟動步進電機，使試樣在預設速度下被拉動，以模擬實際熱沖壓中的快速轉移過程；④ 當試樣恒溫加熱部分到達摩擦工具位置，通過加載系統施加所需載荷，同時啟動步進電機，使試樣在預設速度下被拉動以模擬實際沖壓過程；⑤ 通過無紙化記錄儀采集和記錄數據.

高溫摩擦試驗僅改變模具溫度，具體試驗參數見表2.

表2 高溫摩擦試驗參數Tab.2 Test parameters for high-temperature friction

采用TR200手持式粗糙儀對試樣及模具表面粗糙度進行測量，通過板帶式高溫摩擦磨損試驗機獲取硼鋼摩擦因數，通過超景深三維顯微系統VHX-600獲取板帶高溫磨損形貌，通過光學顯微鏡獲取板帶截面圖及基體組織圖，通過顯微硬度計獲取板料基體硬度.

2 結果與討論

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，此時奧氏體化溫度930 ℃，滑動速度20 mm/s，壓強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硼鋼的摩擦因數在初始階段均急劇增加，而后達到峰值.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，滑動一定距離后，氧化層被破壞并發生金屬與金屬間的接觸，導致摩擦因數增加.隨著滑動距離進一步增加，摩擦因數曲線開始下降并趨于穩定.當模具溫度為20 ℃、50 ℃及100 ℃時，摩擦因數整體差別不大，其平均摩擦因數值分別為0.506、0.504及0.505.當模具溫度進一步升高到150 ℃和200 ℃時，其平均摩擦因數曲線出現較明顯下降，平均摩擦因數值分別為0.474和0.417，見圖6.

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

2.2 摩擦機理

圖7所示為不同模具溫度下22MnB5硼鋼的高溫磨損形貌，圖中箭頭方向為摩擦行進方向.T=20 ℃、50 ℃及100 ℃時板材表面磨痕深度較深、數量較多，黏結瘤存在較為明顯.T=100 ℃時，板材表面極易形成黏結點，這種行為是由于轉移顆粒的形成以及金屬間的高黏附性，當板料在模具間滑動時，微凸體間發生較強的黏附作用，最終導致黏結點的形成.在相對滑動和載荷的作用下，黏結點發生剪切斷裂，被剪切的材料部分脫落成為磨屑，在板料表面滑動形成溝槽；部分轉移到模具上并不斷堆積，形成黏結瘤，隨著板料繼續滑動，黏結瘤與板材表面接觸并擦傷板料表面，從而在板材表面產生更深的劃痕，伴隨磨粒磨損，犁溝效應顯著.此外，板料表面的回火色同樣證實黏著磨損的存在.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.當模具溫度進一步升至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，磨損嚴重程度下降，并未出現嚴重磨損，這可能與不同模具溫度下板材的流動性有關.在較低的模具溫度下，板料與模具間溫差大，板料在模具間滑動阻力較大，摩擦因數較高.隨著模具溫度升高，板料在模具間滑動的流動性有所改善，在滑動時受到阻力更小，因此其磨損形貌出現較大改變，摩擦因數較低.在以上兩種條件下，板料黏著磨損作用相對減弱，并未出現明顯黏結瘤，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

硼鋼經奧氏體化保溫后被快速從高溫爐中拉出，接觸大量的空氣形成氧化層，氧化層的存在對磨損起著重要作用.鋼中的主要元素是Fe，可以形成FeO、Fe2O3和Fe3O4三種不同類型的氧化物.FeO具有多孔結構、極不穩定，Fe2O3是較為疏松的氧化物，以上兩種氧化物與Fe基體的結合力均較低.Fe3O4則是一種硬質化合物，其硬度較高，洛氏硬度可達到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.不同模具溫度下板料與模具間溫差不同，當溫差較大時，氧化皮在滑動過程中極易破裂.當板料被施以一定載荷并滑動時，表面氧化皮被破壞，大量磨屑產生，滑動使磨屑被碾碎，大量氧化物顆粒和磨損碎片嵌入板料中.隨著滑動的不斷進行，黏結瘤不斷長大，硼鋼表面形成更多的凹槽，更導致磨損碎片的夾帶和保留.相比模具與板料間較大的溫差，模具溫度的適當提高在一定程度上保護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較弱，磨痕相對較淺.

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930 ℃奧氏體化保溫并保壓淬火后其硬度達到了437.4.隨著模具溫度的升高，硼鋼的基體硬度在50 ℃和100 ℃時沒有較大改變，當預熱溫度進一步升高時，模具維氏硬度硬度在150 ℃時降至413.5，在200 ℃時降至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為板料在摩擦過程中溫度T′及冷卻速率δ變化曲線，圖中t為時間.該圖主要對比模具溫度為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，當摩擦開始進行，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為物質的對流傳熱系數；q為熱流密度.

當模具升至一定溫度，板料與模具溫差減小，換熱減緩，板料冷速大大降低.當板帶從930 ℃高溫爐中拉出，板帶較軟.而預熱溫度較高的150 ℃和200 ℃模具與室溫及預熱至50 ℃ 和100 ℃的模具相比，前者與板帶之間溫差較小.更高的溫差會使加熱板材在摩擦過程中具有更大冷卻速率，淬火效應明顯，因此板材與更低預熱溫度的模具對磨后其基體硬度相應增大.當模具溫度為150 ℃時，較低的冷速使馬氏體組織粗大，綜合性能較差(見圖8(d)).研究表明，奧氏體向馬氏體轉變的臨界冷卻速率為 27 ℃/s[13-14]，當模具溫度達到200 ℃時，板料冷速無法達到要求，在摩擦進行一段時間后其冷卻速率低于臨界冷卻速率，見圖10.通過圖8(e)可以看出，在同等腐蝕條件下硼鋼基體組織中出現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 ℃范圍內呈現出相反的變化趨勢.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，該條件下板料相對較軟，更易于在模具間流動，滑動過程中摩擦阻力較小，從而使摩擦因數較小(圖5)，磨損相對較輕(圖7).另一方面，更高溫升會帶來更為明顯的模具軟化，因此室溫及加熱至較低預熱溫度的模具與軟態加熱板材之間具有更高的硬度差.盡管較低模具預熱溫度下板材基體硬度上升，但在高溫對磨過程模具硬度仍然遠遠高于板材硬度.因此，具有更高硬度差的較低預熱溫度模具與軟態高溫板材對磨時，犁削效應更為明顯，進一步導致更為嚴重的磨粒磨損，因此其摩擦因數較高.

3 結論

通過自制的板帶式高溫摩擦磨損試驗機進行22MnB5硼鋼裸板與淬、回火處理的H13熱作模具鋼的摩擦實驗，對模具進行不同溫度的預熱，并以此模擬實際沖壓過程，對不同模具溫度下硼鋼裸板的摩擦行為及顯微組織進行了評估，獲得如下結論：

(1) 隨著模具溫度升高，硼鋼裸板摩擦因數在室溫、50 ℃和100 ℃基本保持不變，當模具溫度進一步升高至150 ℃及200 ℃時，硼鋼摩擦因數明顯下降.

(2) 當模具溫度在100 ℃以下時，板料磨損機理以黏著磨損和磨粒磨損為主，隨模具溫度進一步升高，磨損機理中黏著磨損作用減弱.

(3) 模具溫度較高時，板料與模具溫度差較小，板料冷卻速度無法達到要求，部分奧氏體轉變為下貝氏體，硼鋼基體硬度較低.