常 穎，李 燁，盈 亮，盧金棟，唐行輝，郭 威

（1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學(xué) 汽車(chē)工程學(xué)院，遼寧 大連 116024；3.吉林大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引 言

為應(yīng)對(duì)汽車(chē)節(jié)能、安全與環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)，高強(qiáng)度鋼板在車(chē)身制造中的應(yīng)用受到廣泛關(guān)注。但是隨著強(qiáng)度的提高，其在室溫下的成形性能降低［1］。熱沖壓技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效方法，可制備成形強(qiáng)度在1500MPa以上的沖壓件。熱沖壓過(guò)程中板料表面不可避免地將發(fā)生氧化脫碳行為，板材氧化減薄明顯降低了其強(qiáng)度，由于熱量在板料與模具之間傳遞，氧化層影響到了板料與模具表面的接觸換熱性能，從而影響零件質(zhì)量的穩(wěn)定性。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)防止鋼板氧化脫碳主要從涂層和氣體保護(hù)兩方面入手［2－3］，一方面由于工藝復(fù)雜、成本昂貴限制了諸如Al－Si涂層鋼板的普遍應(yīng)用；另一方面，實(shí)際氧化過(guò)程無(wú)論是覆蓋涂層還是引入氣氛保護(hù)都不會(huì)杜絕氧化行為的發(fā)生，因此，研究氧化行為對(duì)實(shí)際熱沖壓過(guò)程的傳熱性能影響規(guī)律具有較大實(shí)際意義。

目前，相關(guān)學(xué)者針對(duì)熱沖壓過(guò)程中接觸換熱進(jìn)行了一些研究［3－4］，邢磊等基于瞬態(tài)問(wèn)題利用反傳熱算法，研究了TP2銅與3Cr2W8V模具鋼之間的換熱過(guò)程［5］；Merklein研究了有微小間隙時(shí)，熱成形中的接觸換熱［6］；Hojaefard基于穩(wěn)態(tài)實(shí)驗(yàn)研究了不銹鋼和鋁之間的換熱情況［7］。但這些研究中并未考慮熱成形過(guò)程板料表面的實(shí)際氧化層影響，而氧化程度對(duì)淬火中換熱性能的影響不能忽視。

本文基于不同保溫時(shí)間下熱沖壓鋼板高溫氧化脫碳行為規(guī)律進(jìn)行了研究。利用靜態(tài)失重法和金相測(cè)定法測(cè)定鋼板在900℃條件下的高溫氧化行為，建立保溫時(shí)間與氧化失重、減薄尺寸的回歸方程，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所得規(guī)律的正確性；根據(jù)實(shí)際氧化層形成規(guī)律，利用有限元仿真方法研究了氧化脫碳層對(duì)板料和模具之間接觸換熱關(guān)系的影響，獲得氧化脫碳層厚度及接觸壓強(qiáng)對(duì)熱沖壓接觸換熱系數(shù)規(guī)律并加以分析。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

選用寶鋼生產(chǎn)的熱沖壓22MnB5鋼板進(jìn)行測(cè)定分析，牌號(hào)B1500HS，試樣厚度1.6mm，化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）如表1所示。

表1 試驗(yàn)用鋼化學(xué)成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)試值（余量為Fe）Table 1 Chemical composition of the steels investigated %

依據(jù)《HB5258－2000鋼及高溫合金的抗氧化性測(cè)定試驗(yàn)方法》，將試驗(yàn)材料加工成20mm×10mm×1.6mm規(guī)格試樣，經(jīng)砂紙打磨、酒精清洗后，烘干備用。鋼板在900℃條件下利用靜態(tài)失重法進(jìn)行氧化實(shí)驗(yàn)；依據(jù)《GB／T 224－2008鋼的脫碳層深度測(cè)定法》，利用金相測(cè)定脫碳層深度。圖1所示為氧化脫碳層影響下熱沖壓接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置及原理圖。壓機(jī)最大工作壓力為400kN。上、下模直徑均為75mm，材料為典型熱作模具鋼材料H13。自適應(yīng)平衡底座可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整模具，使得上、下模面完全平行。溫度采集裝置為MX100，采樣頻率為100Hz。

圖1 熱沖壓接觸換熱系數(shù)測(cè)量裝置Fig.1 Experimental setup of IHTC in hot stamping process

1.2 氧化脫碳機(jī)理及傳熱動(dòng)力學(xué)模型

一般在850℃以上，鋼的氧化和脫碳同時(shí)發(fā)生，當(dāng)鋼表面氧化速度大于碳原子從內(nèi)部向表面擴(kuò)散的速度時(shí)發(fā)生氧化，反之發(fā)生脫碳［5］。實(shí)際生產(chǎn)中，并不嚴(yán)格區(qū)分氧化和脫碳層，實(shí)際測(cè)定的氧化層厚度包含了氧化層和脫碳層的平均厚度。在金相顯微鏡下觀察氧化脫碳層形態(tài)，如圖2所示。圖2（a）中，左邊黑色部分為鑲嵌樹(shù)脂，中間灰色部分是氧化脫碳層，右邊光亮部分是試樣基體。從圖2（b）的SEM可以看出，脫碳層由于碳原子的缺失，含碳量相對(duì)較低，剩余的鐵原子質(zhì)地疏松，排列比較規(guī)律，其在力學(xué)性能上表現(xiàn)為強(qiáng)度、硬度與基體相比基體較低。試樣表面氧化層的組成物相主要是Fe、Fe2O3以及Fe3O4，其中主要為Fe2O3，只有少量的Fe3O4。

根據(jù)Slowik［8］的研究，氧化脫碳層的熱導(dǎo)率為3W／（m·K），遠(yuǎn)小于板料和模具的換熱系數(shù)（45～52W／（m·K）），所以接觸換熱的影響不能被忽視。具有氧化層的板料在實(shí)際生產(chǎn)中與模具接觸表面的狀態(tài)如圖3所示。圖3（a）所示為板料與模具接觸后，氧化層被夾在中間。板料與模具間熱流阻礙由兩方面原因造成:①與板料和模具相比，氧化層的熱導(dǎo)率很低。②氧化層與模具表面不是完全接觸——氧化層是由板料母材氧化生成，并未與母材分離，而是貼合緊密，可看做連續(xù)體（如圖3（b））。但氧化層與空氣接觸的一面在微觀尺度上是粗糙不平的，與模具表面不能達(dá)到完全接觸（如圖3（c）），這就導(dǎo)致了接觸熱阻的產(chǎn)生。

圖2 熱沖壓鋼板氧化脫碳層形態(tài)Fig.2 Oxidation ＆decarburization layer morphology of hot stamping blank

圖3 氧化層對(duì)熱沖壓界面?zhèn)鳠崽卣饔绊懛治鯢ig.3 The effect of the oxidized layer on heat transfer feature between the interface

Wendelstorf［9］提出了等效換熱系數(shù)αeff的概念，將其引入考慮氧化層的熱成形過(guò)程中可定義為

式中:q為板料和模具間的熱流密度；TB和TD分別為板料和模具表面的溫度。

氧化層和模具接觸表面之間的熱流密度qS與它們之間的換熱系數(shù)αΔTS相關(guān)，可定義為

式中:TS為氧化皮表面的溫度。由于氧化層很薄，可以假定qS＝q。αeff和αΔTS之間的換算關(guān)系為

式中:dOS為氧化層厚度；λOS為氧化層的換熱系數(shù)。

所有氧化層對(duì)界面換熱的影響都包含在等效接觸換熱系數(shù)αeff中，并且通過(guò)板料和模具表面的溫度就可以計(jì)算得到。氧化層是等效接觸換熱系數(shù)的一個(gè)重要的影響因素，氧化層越厚，等效接觸換熱系數(shù)越小。

2 結(jié)果與討論

2.1 氧化行為回歸方程的建立與分析

為獲得熱沖壓鋼板在高溫情況下氧化行為的規(guī)律，研究了B1500HS鋼板厚度減薄、脫碳層深度與保溫時(shí)間的關(guān)系，如圖4所示。圖中通過(guò)引入氧化速率特征值（K）常數(shù)表征B1500HS鋼板氧化脫碳層減薄程度大小，分別用K11和K12表征兩段的斜率。

圖4 B1500HS鋼板的氧化動(dòng)力學(xué)曲線Fig.4 Oxidation dynamical curve of B1500HS steels

從圖4可以看出，B1500HS高溫氧化行為遵循拋物線規(guī)律。根據(jù)實(shí)際測(cè)定0～10min不同保溫時(shí)間下基于氧化層厚度后減薄及失重的B1500HS鋼板氧化規(guī)律曲線可表征為

式中:ΔZ為氧化減薄厚度；ΔW 為氧化減重；t為保溫時(shí)間。

試驗(yàn)中測(cè)得B1500HS的氧化減薄厚度最高達(dá)到99.33μm，質(zhì)量減少最高可達(dá)240.55mg（保溫10min時(shí)），占總質(zhì)量的9.98%，其對(duì)應(yīng)的單位面積氧化失重（Δm＝ΔW／S，其中S為試樣表面積）為0.471mg／mm2；在保溫最初階段，板料表面具備較高的氧化速率。隨著時(shí)間的推移，已生成的氧化層阻礙了氧氣和板料的接觸。當(dāng)保溫時(shí)間介于4～5min時(shí)，氧化行為動(dòng)力學(xué)曲線發(fā)生了轉(zhuǎn)折，氧化速率明顯減緩。其中:

可知保溫時(shí)間0～10min內(nèi)，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)氧化減薄尺寸與脫碳層深度逐漸增加；保溫5min后，兩者趨于穩(wěn)定。K11＞K12，氧化脫碳層厚度初期增長(zhǎng)速率較快，達(dá)到19.76μm／min，在4～5 min階段增速趨于平緩，當(dāng)大于5min后，氧化機(jī)制發(fā)生變化:由表面生成反應(yīng)控制轉(zhuǎn)變成由擴(kuò)散反應(yīng)控制［10］，并趨于穩(wěn)定。增長(zhǎng)速率約為1.75 μm／min。B1500HS鋼板最大減薄為99.3μm，占總厚度的6.14%；脫碳層最大深度為87.0 μm，占總厚度的5.44%。對(duì)試驗(yàn)獲得的B1500HS鋼板氧化失重（ΔW，mg）與減薄量（ΔZ，mm）進(jìn)行回歸分析，結(jié)果顯示二次項(xiàng)顯著，擬合公式見(jiàn)表2。

表2 B1500HS熱沖壓鋼板氧化規(guī)律回歸方程Table 2 Oxidation law regression equations of B1500HS hot stamping steel

為了評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果的可靠性以及數(shù)學(xué)模型的可信程度，對(duì)回歸方程進(jìn)行了顯著性檢驗(yàn)［11］，見(jiàn)表3。

由表3方差分析（ANOVA）可知:F ＝77.661，P ＝ 0.000 ＜ 0.01（氧化失重）；F ＝104.974，P ＝ 0.000 ＜ 0.01 （減?。痄揃1500HS的氧化失重與減薄尺寸回歸方程極顯著。復(fù)相關(guān)系數(shù)分別為0.951和0.963，表明擬合值與試驗(yàn)值之間具有極高的相關(guān)性，試驗(yàn)誤差小。加熱溫度900℃，保溫0～10min，保壓15s，對(duì)回歸方程進(jìn)行驗(yàn)證，可以看出試驗(yàn)值與回歸方程擬合程度良好，試驗(yàn)誤差小，因此回歸方程是準(zhǔn)確的，可以使用該模型進(jìn)行樣件氧化情況預(yù)測(cè)和對(duì)傳熱動(dòng)力學(xué)影響分析。

表3 B1500HS回歸方程的方差分析Table 3 ANOVA of Regression equation of B1500HS

2.2 載荷和氧化層對(duì)換熱系數(shù)的影響

為研究界面載荷和氧化脫碳對(duì)熱沖壓傳熱動(dòng)力學(xué)的影響規(guī)律，試驗(yàn)設(shè)計(jì)了5種不同載荷（8，16，25，34和42MPa），涵蓋了實(shí)際生產(chǎn)中載荷所能達(dá)到的范圍。同時(shí)，引入界面接觸換熱系數(shù)（IHTC特征參數(shù)）描述實(shí)際換熱能力的大小。接觸換熱系數(shù)受材料熱物性、機(jī)械特性、表面性質(zhì)、負(fù)載、溫度等多因素影響。Holman［12］在其著作中提到了兩個(gè)首要的因素:其一是固－固非理想光滑界面上微突體之間的傳熱；其二為界面內(nèi)包嵌的氣體中的傳熱。氧化脫碳層對(duì)淬火傳熱的影響即為首要因素，其實(shí)質(zhì)是影響到板料與模具接觸表面的狀態(tài)，并進(jìn)而形成界面內(nèi)包氣隙，從而降低了界面接觸換熱系數(shù)。然后，隨著沖壓過(guò)程中載荷的增大，使得真實(shí)接觸面積變大，引發(fā)接觸熱阻降低，可一定程度下改善接觸表面接觸狀況，以獲得較大的界面換熱系數(shù)。因此，根據(jù)氧化脫碳層厚度回歸方程，將氧化行為對(duì)傳熱動(dòng)力學(xué)影響模型引入到接觸換熱系數(shù)的反求計(jì)算中，基于優(yōu)化方法和有限單元法（FEM）采用商用軟件ABAQUS完成，完整的計(jì)算流程圖如圖5所示。

等效接觸換熱系數(shù)被設(shè)為變量，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的板料和模面的溫度與相對(duì)應(yīng)的FEM計(jì)算結(jié)果比較。每隔0.1s選擇相對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)數(shù)值與仿真值進(jìn)行比對(duì)，執(zhí)行優(yōu)化循環(huán)直至收斂。流程圖中δB為板料實(shí)驗(yàn)結(jié)果和FEM分析結(jié)果的誤差。和分別為板料的實(shí)測(cè)溫度和FEM分析溫度。δD中的參數(shù)為相對(duì)應(yīng)的模具中的值。IHCP有限元反求模型如圖6所示。

圖5 接觸傳熱系數(shù)動(dòng)力學(xué)分析流程圖Fig.5 Dynamic analysis flow chart of optimization IHTC

通過(guò)優(yōu)化數(shù)值反求算法獲得了硼鋼B1500HS與模具界面間在不同氧化脫碳層厚度情況下等效接觸換熱系數(shù)的關(guān)系。熱沖壓氧化脫碳層本身由非致密的多種氧化物混合而成，本身的熱導(dǎo)率很低。厚度增加起到更強(qiáng)的阻熱作用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。由于保溫開(kāi)始階段（0～5 min）板料的氧化速率較高。使得等效接觸換熱系數(shù)也呈現(xiàn)明顯降低特征，在80～100μm范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而后繼續(xù)降低。B1500HS鋼板在保溫5min內(nèi)（氧化層厚度為0～100μm），其實(shí)際界面換熱系數(shù)應(yīng)大于2500W／（m2·K）。隨著氧化情況的繼續(xù)發(fā)生，當(dāng)厚度超過(guò)100μm后，界面換熱性能急劇降低，呈線性下降規(guī)律。降低幅度為1000～2500W／（m2·K）。

圖6 換熱系數(shù)IHCP反求有限元模型Fig.6 FEA model of heat transfer coefficient with IHCP reverse solve

圖7 氧化層厚度對(duì)平均接觸換熱系數(shù)的影響規(guī)律Fig.7 Effects of oxidation scale thickness on average value of IHTC

載荷是等效接觸換熱系數(shù)的另一重要影響因素，等效接觸換熱系數(shù)一般與載荷成冪律關(guān)系［13］，其機(jī)理是由于載荷的大小會(huì)直接影響接觸界面處相互接觸的兩微突體的變形程度。隨著載荷的增大，接觸面發(fā)生彈性變形的微突體數(shù)量逐漸增多，而發(fā)生塑性變形的微突體數(shù)量也在增多，微突體的變形程度增大，使得實(shí)際接觸面積也在增大，導(dǎo)致等效接觸換熱系數(shù)的增大。由圖8進(jìn)一步看出:以2500W／（m2·K）為臨界指標(biāo)，中低壓強(qiáng)情況（8～16MPa工況，保溫5min內(nèi)）由于氧化層的存在，無(wú)法保障優(yōu)良的界面換熱發(fā)生，壓強(qiáng)大于20MPa，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)良換熱，保證熱沖壓鋼板的淬火性能發(fā)揮。

圖8 不同載荷氧化層厚度與平均接觸換熱系數(shù)的關(guān)系Fig.8 The relationship between the oxidation layer thickness and average HTC under different pressures

3 結(jié) 論

（1）熱沖壓過(guò)程保溫開(kāi)始階段板料氧化速率較高，5min后明顯減緩。以B1500HS為例:加熱溫度900℃，保溫0～10min時(shí)，其氧化失重最高可達(dá)240.55mg，占總質(zhì)量的9.98%；減薄尺寸最大為99.3μm，占總厚度的6.14%；脫碳層最大深度為87.0μm，占總厚度的5.44%。

（2）建立的熱沖壓鋼板B1500HS氧化失重和減薄尺寸的回歸方程，預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值擬合程度良好，回歸方程可靠。可為準(zhǔn)確評(píng)測(cè)氧化行為對(duì)傳熱動(dòng)力學(xué)性能影響及探究適用于熱沖壓生產(chǎn)的防氧化方法提供依據(jù)。

（3）氧化行為的發(fā)生對(duì)熱沖壓過(guò)程界面換熱性能有重要影響。等效接觸換熱系數(shù)與氧化層厚度的關(guān)系呈反比關(guān)系；B1500HS鋼板在保溫5 min內(nèi)（氧化層厚度介于0～100μm），其實(shí)際界面換熱系數(shù)大于2500W／（m2·K），實(shí)際熱沖壓生產(chǎn)應(yīng)選定合適的載荷降低氧化影響，實(shí)現(xiàn)優(yōu)良換熱，保證鋼板的淬火性能。

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