高凯翔, 王武荣,2, 韦习成, 孟 华
(1. 上海大学 材料科学与工程学院, 上海 200444;2. 上海大学 省部共建高品质特殊钢冶金与制备国家重点实验室, 上海 200444;3. 香港城市大学 机械工程系, 香港 999077)
高强度钢板具有较高的强度质量比,可满足汽车轻量化的要求并提高汽车碰撞安全性,因此已广泛应用于汽车行业[1-3].采用传统冷冲压工艺成形时,钢板容易出现起皱、开裂以及回弹变形等问题.与传统冷冲压成形工艺相比,热冲压成形技术可以提高钢板的塑性和延伸率,减小回弹,并具有更高的成形极限以及较低的成形力.22MnB5超高强度硼钢是汽车行业中应用最广泛的热冲压成形材料[4].但在其成形过程中,摩擦会影响成形件的质量,甚至阻碍材料流动,造成冲压开裂和模具急剧磨损,进而降低生产效率.因此,有必要研究22MnB5超高强度硼钢热成形工艺条件下的摩擦行为.
实际热冲压工艺为:先将试样在860~950 ℃条件下保温3~10 min,完成奥氏体转变[5];再将试样快速转移至具有冷却系统的模具中,试样在800~850 ℃的范围内开始成形并完成淬火[6],试样的临界冷却速率是27 ℃/s[7].根据条件模拟原则,在研究22MnB5的高温摩擦行为时,应使试样先完成奥氏体化,再将试样经过快速转移置于模具中,最后在冷却速率大于27 ℃/s的条件下进行高温摩擦试验.例如,Hardell等[8]研究了铝硅镀层的超高强度硼钢与不同模具间的摩擦磨损行为.先将圆盘状试样加热到一定温度,再以工具钢做成的销向试样施加载荷,试验过程中最高摩擦温度为800 ℃.但其实验中试样未进行奥氏体化.Ghiotti等[9]研究锌镀层的22MnB5钢在热冲压中的摩擦学特性试验时,将板带状试样夹在加热台上加热至某一温度后进行高温摩擦,最高摩擦温度为800 ℃.Mu等[10]在研究22MnB5超高强度硼钢和H13工具钢的摩擦学特性时,将盘状试样加热到一定温度后再与环状模具接触,进行高温摩擦试验,最高摩擦温度为850 ℃.上述研究大多未能模拟实际热冲压过程中钢材的奥氏体化,且基本采用纯模冷却进行板材降温,因此没有真正模拟实际生产条件下钢材的高温摩擦过程.
本文使用自主研发的具有额外冷却系统的高温摩擦试验机研究22MnB5的高温摩擦行为,该试验可以较好地模拟实际热冲压生产过程.首先,采用加热炉对试样加热,使其完成奥氏体化.再以预设的转移速度将试样从加热炉中快速转移出来.当试样的被加热部分处于摩擦工具下方时,加载系统向试样施加一定法向载荷,同时拉伸系统对试样进行拉伸,试样在一定滑动速度下进行高温摩擦试验.试验过程中向摩擦工具通冷却水对试样进行淬火处理.分别分析初始摩擦温度、滑动速度和压强等参数对22MnB5超高强度硼钢的高温摩擦行为的影响.
试验材料为22MnB5硼钢裸板,其原始组织主要由铁素体和珠光体构成,试样尺寸为 1 000 mm×20 mm×1.6 mm.试验前,使用金相砂纸对试样的切割截面进行打磨并抛光,试样的初始表面粗糙度(Ra)约为 0.114 μm.对磨材料使用的是淬回火处理过的H13热作模具钢,每次试验前使用金相砂纸沿垂直摩擦方向打磨摩擦接触表面,其初始表面粗糙度约为 0.152 μm.摩擦副材料的化学组成和维氏硬度值如表1所示,表中w为质量分数.
图1 高温摩擦试验机示意图
试验设备如图1所示.杠杆加载系统为摩擦试验提供稳定的法向载荷.冷却系统由安装在加载系统中的摩擦工具和冷却通道组成,见图2.摩擦工具上有直径5 mm的冷却孔,冷却孔与铜管连接组成冷却通道,冷却通道在试验中通冷却水以模拟实际热冲压中模具的冷却系统,为高温摩擦过程提供额外的冷却条件.S型力传感器通过高速记录仪记录高温摩擦过程中的拉力.其一端固定在拉伸系统的滑块上,另一端与板带试样连接在一起.拉伸系统配有步进电机,为试验机提供动力.当试样转移速度为50 mm/s时,试样初始摩擦位置的温度变化及冷却速率如图3所示,图中t为时间,T为温度,δ为冷却速率.从图中可以看出,试样转移至摩擦工具下方开始摩擦时,温度大约为930 ℃.试样温度高于600 ℃时,其初始摩擦位置的冷却速率高于临界冷却速率.使用相同测温方法确定出当试样的转移速度为30和15 mm/s时,初始摩擦温度约为730 ℃和630 ℃.
图2 摩擦工具示意图(mm)
图3 试样初始摩擦位置的温度和冷却速率
高温摩擦试验中,摩擦力由高速记录仪实时记录.选取恒温区内300 mm摩擦距离的数据计算摩擦系数:
(1)
式中:F为由力传感器测得的实时拉力;P为法向载荷.
平均摩擦系数的计算公式为
(2)
式中:L为摩擦距离;L0为摩擦距离起始点;LS为总摩擦距离.
首先设置高温加热炉的温度并将试样的一端与S型力传感器相连.当加热炉温度达到设定温度时,将试样的另一端放入加热炉中加热并保温5 min.随后,打开冷却系统,调节水流量为5 L/min.再启动步进电机,拉伸系统以预先设置的转移速度将试样从加热炉中快速拉出以模拟实际热冲压的快速转移过程.当试样的恒温加热部分到达摩擦工具下方时,加载系统向试样施加法向载荷,同时拉伸系统以预先设置的滑动速度拉动试样以完成高温摩擦试验.
高温摩擦试验分3组,具体试验参数见表2.
表2 高温摩擦试验参数
先将试样在930 ℃条件下保温5 min,再经过不同的转移速度分别降温至830、730以及630 ℃后进行高温摩擦试验.测得相同额外冷却条件下试样的摩擦系数如图4所示.经计算可知,初始摩擦温度分别为830、730以及630 ℃时,试样的平均摩擦系数分别为 0.371、0.376 和 0.393,即试样经不同时间转移冷却后,不同摩擦初始温度下的摩擦系数区别不大.
试验过程中,试样从高温炉中移出后会接触大量空气,其表面快速形成氧化层.经转移接触摩擦工具后,在一定法向载荷和滑动速度下,氧化层发生破碎并堆积在试样表面.初始摩擦温度分别为830、730以及630 ℃时,堆积氧化物的平均厚度约为 42.53、41.07以及 44.16 μm,而试样表面粗糙度差别不大,分别为 17.356、20.600以及 22.253 μm.但初始摩擦温度为630 ℃,摩擦距离约120 mm处的表面粗糙度为 37.232 μm,说明此摩擦距离附近有比较凸出的氧化物烧结,引起摩擦系数的增大.
图5为不同初始摩擦温度下试样横截面的微观组织.可以看出, 试样表面有氧化物碎屑堆积.这些氧化物在摩擦界面起到支撑作用, 隔离试样与摩擦工具的直接接触[11],并在摩擦过程中起到润滑作用[10].另外,这些氧化物的表面较平整,且3种初始摩擦温度下氧化物层的厚度基本一致,因此各试样的摩擦系数差别不大.从图5还可以看出,试样横截面上的氧化层均有不同程度的裂纹.该裂纹的形成和氧化层的化学成分有关.试样从高温炉中移出后接触大量空气,其表面快速形成成分为FeO、Fe2O3以及Fe3O4三者混合物的氧化层.在600~800 ℃之间,FeO、Fe2O3以及Fe3O4的热膨胀系数差别较大,分别为 1.7×10-5, 1.25×10-5以及 1.5×10-5℃-1,接近Fe在800 ℃的热膨胀系数(1.46×10-5℃-1)[12].由于FeO 是金属和Fe3O4之间的中间层,FeO的热膨胀系数较大,于是在额外冷却条件下,温度的急剧变化导致其在滑动中破裂.并且,试样表面形成的氧化物成分依赖于温度.FeO在570 ℃以下时不稳定,但经淬火过程能保留下来[12].对初始摩擦温度为830 ℃的试样表面氧化物进行X射线衍射测试,见图6.可以看出,该氧化物的主要组成为FeO、Fe2O3和Fe3O4且3种氧化物的质量比约为1∶19∶18.氧化物在摩擦过程中发挥保护和润滑作用,根据相关文献,Fe3O4比Fe2O3的减摩作用更为明显[13].
图4 不同初始摩擦温度下的摩擦系数
图5 不同初始摩擦温度下试样横截面的扫描电镜图
图6 试样表面氧化物的X射线衍射图
将试样加热至930 ℃保温5 min并经快速转移降温至830 ℃后,在相同的额外冷却条件下,以不同的滑动速度进行高温摩擦试验,测得的摩擦系数如图7所示.由图可以看出,当滑动速度为5 mm/s时,试样的摩擦系数较高,平均摩擦系数为 0.483;而滑动速度为15和25 mm/s时,试样的平均摩擦系数较小,分别为 0.371 和 0.384.图8所示为不同的滑动速度时试样表面以及横截面的扫描电镜图.当滑动速度为5 mm/s时,试样表面的氧化层因与摩擦工具的接触时间较长而被压碎并形成小块氧化碎屑(图8(a)),且氧化物堆积的厚度不均匀,约37~55 μm,因此试样表面凹凸不平,摩擦系数较大且不稳定.当滑动速度为15和25 mm/s时,由于滑动速度较快,试样表面的氧化层形成面积较大、相对平整、平均厚度约为 42.53 和 45.07 μm的堆积块,试样表面粗糙度约为 17.356 和 20.311 μm.在摩擦过程中,堆积块能在摩擦界面起到支撑块作用,影响试样基体与摩擦工具的直接接触,从而降低试样的摩擦系数.
图7 不同滑动速度下的摩擦系数
图8 不同滑动速度下试样表面和截面扫描电镜图
以830 ℃为初始摩擦温度,在相同额外冷却条件和不同法向载荷下进行摩擦试验得到的摩擦系数如图9所示.可以看出,法向载荷分别为525、720以及910 N时,试样的平均摩擦系数分别为 0.371、0.535 以及 0.625,即随着法向载荷的增加,摩擦系数变大.文献[10,14]中发现,在一定载荷下,试样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,单向滑动摩擦中,保护性氧化层的形成依赖于接触界面保留磨屑的能力.
图9 不同法向载荷下的摩擦系数
图10为不同法向载荷下试样表面和截面的扫描电镜图.从图10(b)和(c)可以看出,当法向载荷为720和910 N时,试样表面的氧化物几乎被摩擦移除,只零星地分布着被压实的小块氧化物堆积,且试样表面出现明显划痕.测得试样表面粗糙度约为 14.741 μm和 19.377 μm.摩擦系数较大主要是由金属基体直接接触摩擦而造成的.相比于720,910 N法向载荷条件下试样表面的划痕更多,更长(图10(c)),因此试样的表面粗糙度也更大.这也说明,法向载荷较大时,氧化物碎屑产生堆积后可能嵌入软化的金属基体中并随摩擦移动,在基体上产生划痕,阻碍摩擦,使摩擦系数增大.从截面扫描电镜图中可看出试样基体上堆积了较碎的氧化物,但在较大载荷下(720和910 N),堆积氧化物的顶层并不平整,而不平整的摩擦界面也会造成摩擦系数的增大.
图10 试样在不同法向载荷下的表面和截面的扫描电镜图
本文使用带有额外冷却系统的试验机模拟实际热冲压工艺过程中板材与热作模具钢之间的高温摩擦过程.主要结论如下:
(1) 在额外冷却条件下,由于摩擦前试样表面形成的氧化物在摩擦过程中能保护试样表面并起到润滑作用,所以初始摩擦温度对22MnB5裸板高温摩擦的影响并不明显.
(2) 滑动速度在一定程度上影响22MnB5裸板的高温摩擦.当滑动速度较小时,试样表面形成厚度不均匀的氧化物碎屑堆积,造成试样表面的平整性降低,从而增大摩擦;当滑动速度较大时,试样表面氧化物碎屑的堆积平整且面积较大,在摩擦界面中能起到支撑作用,从而减小摩擦.
(3) 随着法向载荷的增大,试样表面的氧化物被大量去除,使金属基体暴露而产生剧烈的摩擦.零星堆积的氧化物碎屑在试样表面产生划痕,不利于摩擦.