高凱翔, 王武榮,2, 韋習(xí)成, 孟 華

(1. 上海大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200444；2. 上海大學(xué) 省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200444；3. 香港城市大學(xué) 機(jī)械工程系， 香港 999077)

高強(qiáng)度鋼板具有較高的強(qiáng)度質(zhì)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(yīng)用于汽車行業(yè)[1-3].采用傳統(tǒng)冷沖壓工藝成形時(shí)，鋼板容易出現(xiàn)起皺、開(kāi)裂以及回彈變形等問(wèn)題.與傳統(tǒng)冷沖壓成形工藝相比，熱沖壓成形技術(shù)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(qiáng)度硼鋼是汽車行業(yè)中應(yīng)用最廣泛的熱沖壓成形材料[4].但在其成形過(guò)程中，摩擦?xí)绊懗尚渭馁|(zhì)量，甚至阻礙材料流動(dòng)，造成沖壓開(kāi)裂和模具急劇磨損，進(jìn)而降低生產(chǎn)效率.因此，有必要研究22MnB5超高強(qiáng)度硼鋼熱成形工藝條件下的摩擦行為.

實(shí)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(zhuǎn)變[5]；再將試樣快速轉(zhuǎn)移至具有冷卻系統(tǒng)的模具中，試樣在800～850 ℃的范圍內(nèi)開(kāi)始成形并完成淬火[6]，試樣的臨界冷卻速率是27 ℃/s[7].根據(jù)條件模擬原則，在研究22MnB5的高溫摩擦行為時(shí)，應(yīng)使試樣先完成奧氏體化，再將試樣經(jīng)過(guò)快速轉(zhuǎn)移置于模具中，最后在冷卻速率大于27 ℃/s的條件下進(jìn)行高溫摩擦試驗(yàn).例如，Hardell等[8]研究了鋁硅鍍層的超高強(qiáng)度硼鋼與不同模具間的摩擦磨損行為.先將圓盤(pán)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(yàn)過(guò)程中最高摩擦溫度為800 ℃.但其實(shí)驗(yàn)中試樣未進(jìn)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(xué)特性試驗(yàn)時(shí)，將板帶狀試樣夾在加熱臺(tái)上加熱至某一溫度后進(jìn)行高溫摩擦，最高摩擦溫度為800 ℃.Mu等[10]在研究22MnB5超高強(qiáng)度硼鋼和H13工具鋼的摩擦學(xué)特性時(shí)，將盤(pán)狀試樣加熱到一定溫度后再與環(huán)狀模具接觸，進(jìn)行高溫摩擦試驗(yàn)，最高摩擦溫度為850 ℃.上述研究大多未能模擬實(shí)際熱沖壓過(guò)程中鋼材的奧氏體化，且基本采用純模冷卻進(jìn)行板材降溫，因此沒(méi)有真正模擬實(shí)際生產(chǎn)條件下鋼材的高溫摩擦過(guò)程.

本文使用自主研發(fā)的具有額外冷卻系統(tǒng)的高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)研究22MnB5的高溫摩擦行為，該試驗(yàn)可以較好地模擬實(shí)際熱沖壓生產(chǎn)過(guò)程.首先，采用加熱爐對(duì)試樣加熱，使其完成奧氏體化.再以預(yù)設(shè)的轉(zhuǎn)移速度將試樣從加熱爐中快速轉(zhuǎn)移出來(lái).當(dāng)試樣的被加熱部分處于摩擦工具下方時(shí)，加載系統(tǒng)向試樣施加一定法向載荷，同時(shí)拉伸系統(tǒng)對(duì)試樣進(jìn)行拉伸，試樣在一定滑動(dòng)速度下進(jìn)行高溫摩擦試驗(yàn).試驗(yàn)過(guò)程中向摩擦工具通冷卻水對(duì)試樣進(jìn)行淬火處理.分別分析初始摩擦溫度、滑動(dòng)速度和壓強(qiáng)等參數(shù)對(duì)22MnB5超高強(qiáng)度硼鋼的高溫摩擦行為的影響.

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為22MnB5硼鋼裸板，其原始組織主要由鐵素體和珠光體構(gòu)成，試樣尺寸為 1 000 mm×20 mm×1.6 mm.試驗(yàn)前，使用金相砂紙對(duì)試樣的切割截面進(jìn)行打磨并拋光，試樣的初始表面粗糙度(Ra)約為 0.114 μm.對(duì)磨材料使用的是淬回火處理過(guò)的H13熱作模具鋼，每次試驗(yàn)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(xué)組成和維氏硬度值如表1所示，表中w為質(zhì)量分?jǐn)?shù).

圖1 高溫摩擦試驗(yàn)機(jī)示意圖

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示.杠桿加載系統(tǒng)為摩擦試驗(yàn)提供穩(wěn)定的法向載荷.冷卻系統(tǒng)由安裝在加載系統(tǒng)中的摩擦工具和冷卻通道組成，見(jiàn)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(yàn)中通冷卻水以模擬實(shí)際熱沖壓中模具的冷卻系統(tǒng)，為高溫摩擦過(guò)程提供額外的冷卻條件.S型力傳感器通過(guò)高速記錄儀記錄高溫摩擦過(guò)程中的拉力.其一端固定在拉伸系統(tǒng)的滑塊上，另一端與板帶試樣連接在一起.拉伸系統(tǒng)配有步進(jìn)電機(jī)，為試驗(yàn)機(jī)提供動(dòng)力.當(dāng)試樣轉(zhuǎn)移速度為50 mm/s時(shí)，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(shí)間，T為溫度，δ為冷卻速率.從圖中可以看出，試樣轉(zhuǎn)移至摩擦工具下方開(kāi)始摩擦?xí)r，溫度大約為930 ℃.試樣溫度高于600 ℃時(shí)，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(cè)溫方法確定出當(dāng)試樣的轉(zhuǎn)移速度為30和15 mm/s時(shí)，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(yàn)中，摩擦力由高速記錄儀實(shí)時(shí)記錄.選取恒溫區(qū)內(nèi)300 mm摩擦距離的數(shù)據(jù)計(jì)算摩擦系數(shù)：

(1)

式中：F為由力傳感器測(cè)得的實(shí)時(shí)拉力；P為法向載荷.

平均摩擦系數(shù)的計(jì)算公式為

(2)

式中：L為摩擦距離；L0為摩擦距離起始點(diǎn)；LS為總摩擦距離.

1.3 試驗(yàn)方法

首先設(shè)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(dāng)加熱爐溫度達(dá)到設(shè)定溫度時(shí)，將試樣的另一端放入加熱爐中加熱并保溫5 min.隨后，打開(kāi)冷卻系統(tǒng)，調(diào)節(jié)水流量為5 L/min.再啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，拉伸系統(tǒng)以預(yù)先設(shè)置的轉(zhuǎn)移速度將試樣從加熱爐中快速拉出以模擬實(shí)際熱沖壓的快速轉(zhuǎn)移過(guò)程.當(dāng)試樣的恒溫加熱部分到達(dá)摩擦工具下方時(shí)，加載系統(tǒng)向試樣施加法向載荷，同時(shí)拉伸系統(tǒng)以預(yù)先設(shè)置的滑動(dòng)速度拉動(dòng)試樣以完成高溫摩擦試驗(yàn).

高溫摩擦試驗(yàn)分3組，具體試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2.

表2 高溫摩擦試驗(yàn)參數(shù)

2 結(jié)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(jīng)過(guò)不同的轉(zhuǎn)移速度分別降溫至830、730以及630 ℃后進(jìn)行高溫摩擦試驗(yàn).測(cè)得相同額外冷卻條件下試樣的摩擦系數(shù)如圖4所示.經(jīng)計(jì)算可知，初始摩擦溫度分別為830、730以及630 ℃時(shí)，試樣的平均摩擦系數(shù)分別為 0.371、0.376 和 0.393，即試樣經(jīng)不同時(shí)間轉(zhuǎn)移冷卻后，不同摩擦初始溫度下的摩擦系數(shù)區(qū)別不大.

試驗(yàn)過(guò)程中，試樣從高溫爐中移出后會(huì)接觸大量空氣，其表面快速形成氧化層.經(jīng)轉(zhuǎn)移接觸摩擦工具后，在一定法向載荷和滑動(dòng)速度下，氧化層發(fā)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(shí)，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(shuō)明此摩擦距離附近有比較凸出的氧化物燒結(jié)，引起摩擦系數(shù)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(guò)程中起到潤(rùn)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(shù)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(xué)成分有關(guān).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，F(xiàn)eO、Fe2O3以及Fe3O4的熱膨脹系數(shù)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(shù)(1.46×10-5℃-1)[12].由于FeO 是金屬和Fe3O4之間的中間層，F(xiàn)eO的熱膨脹系數(shù)較大，于是在額外冷卻條件下，溫度的急劇變化導(dǎo)致其在滑動(dòng)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(shí)不穩(wěn)定，但經(jīng)淬火過(guò)程能保留下來(lái)[12].對(duì)初始摩擦溫度為830 ℃的試樣表面氧化物進(jìn)行X射線衍射測(cè)試，見(jiàn)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(zhì)量比約為1∶19∶18.氧化物在摩擦過(guò)程中發(fā)揮保護(hù)和潤(rùn)滑作用，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，F(xiàn)e3O4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(shù)

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(dòng)速度的影響

將試樣加熱至930 ℃保溫5 min并經(jīng)快速轉(zhuǎn)移降溫至830 ℃后，在相同的額外冷卻條件下，以不同的滑動(dòng)速度進(jìn)行高溫摩擦試驗(yàn)，測(cè)得的摩擦系數(shù)如圖7所示.由圖可以看出，當(dāng)滑動(dòng)速度為5 mm/s時(shí)，試樣的摩擦系數(shù)較高，平均摩擦系數(shù)為 0.483；而滑動(dòng)速度為15和25 mm/s時(shí)，試樣的平均摩擦系數(shù)較小，分別為 0.371 和 0.384.圖8所示為不同的滑動(dòng)速度時(shí)試樣表面以及橫截面的掃描電鏡圖.當(dāng)滑動(dòng)速度為5 mm/s時(shí)，試樣表面的氧化層因與摩擦工具的接觸時(shí)間較長(zhǎng)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(shù)較大且不穩(wěn)定.當(dāng)滑動(dòng)速度為15和25 mm/s時(shí)，由于滑動(dòng)速度較快，試樣表面的氧化層形成面積較大、相對(duì)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(guò)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(shù).

圖7 不同滑動(dòng)速度下的摩擦系數(shù)

圖8 不同滑動(dòng)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(jìn)行摩擦試驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)如圖9所示.可以看出，法向載荷分別為525、720以及910 N時(shí)，試樣的平均摩擦系數(shù)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(shù)變大.文獻(xiàn)[10,14]中發(fā)現(xiàn)，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(dòng)摩擦中，保護(hù)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(shù)

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(dāng)法向載荷為720和910 N時(shí)，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(shí)的小塊氧化物堆積，且試樣表面出現(xiàn)明顯劃痕.測(cè)得試樣表面粗糙度約為 14.741 μm和 19.377 μm.摩擦系數(shù)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(zhǎng)(圖10(c))，因此試樣的表面粗糙度也更大.這也說(shuō)明，法向載荷較大時(shí)，氧化物碎屑產(chǎn)生堆積后可能嵌入軟化的金屬基體中并隨摩擦移動(dòng)，在基體上產(chǎn)生劃痕，阻礙摩擦，使摩擦系數(shù)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(huì)造成摩擦系數(shù)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(jié)論

本文使用帶有額外冷卻系統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)模擬實(shí)際熱沖壓工藝過(guò)程中板材與熱作模具鋼之間的高溫摩擦過(guò)程.主要結(jié)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(guò)程中能保護(hù)試樣表面并起到潤(rùn)滑作用，所以初始摩擦溫度對(duì)22MnB5裸板高溫摩擦的影響并不明顯.

(2) 滑動(dòng)速度在一定程度上影響22MnB5裸板的高溫摩擦.當(dāng)滑動(dòng)速度較小時(shí)，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(dāng)滑動(dòng)速度較大時(shí)，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(chǎn)生劇烈的摩擦.零星堆積的氧化物碎屑在試樣表面產(chǎn)生劃痕，不利于摩擦.