热冲压工具的高导热钢的摩擦学性能

热冲压工具的高导热钢的摩擦学性能摘要：为了改善汽车工业中采用的新型热冲压工艺的性能以克服它们的许多缺点： 例如氧化，模具磨损，严重的热和机械循环 。现在正在开发新的模具材料以获得更短的加热和冷却循环 并且提高其强度和使用寿命。本文通过在600-800的温度范围内加热测量机械循环载荷来研究两种新型高导热钢的摩擦学行为。 研究结果表明，与均匀分布在金属基体中的Mo元素相比，材料微观结构为集聚体的Mo元素有更好的性能，在最低测试温度下减少摩擦与减少磨损之间关系更密切。1.介绍如今，热冲压是生产空车身结构部件的最重要的技术，大众观点认为使用这种工艺可制造更多的车辆部件。我们可以回顾使用高温成型工艺的优点：（i）较短的工艺链，特别是在直接热压印的情况下，（ii）经过变形工程后，机械性能会增强，并且不需要额外的热处理，（iii）由于改善了较薄部件的框架刚度，减少了车辆的总重量，（iv）不存在对于环境十分危险的并且需要昂贵的清洁操作的润滑剂1。与此相反，销对工艺缺点，有相当多的批评者需要工程师和工艺设计者面对，由于材料加热和冷却产生的大量能量消耗2以及高温金属板材和冷却模具界面处的严重热和机械条件，这是影响设备和工具的使用寿命的关键问题3,4。通常用避免工具润滑的方式以保持最终部件的表面质量，特别是关于可涂漆性和可焊性5。因此，在形成过程中交界处产生剪切应力，并且伴随着由于不存在润滑剂冷却作用而导致的内模淬火中的散热不足，导致传热系数（HTC），表面硬度，磨损率等问题。科学技术文献中的贡献可以分为以下几组：1.工业研究，其中摩擦和磨损现象通过在预制系列工业设备中冲压期间进行的工业试验来评价;2.实验室研究旨在通过简单的常规测试再现热冲压过程中典型的摩擦学条件，或根据具体要求修改。后者大多数研究集中在材料在干燥条件下的摩擦学行为，其中仅用于防止炉中的金属氧化的金属板涂层有助于降低高温下的摩擦6,7,8,9 ，20。作者第一次介绍了一个在实验室测试中采用的新的再现在冲压模具的使用寿命期间的循环热机械条件的测试程序14。它被用于研究具有AlSi涂层14和Zn涂层15,16 22MnB5板的常规X38CrMoV5-1合金工具钢的性能，研究发现Zn涂层可代替传统的AlSi，即使是在热冲压的最高温度下进行。模具对应接口中的现象主要在第一组10中进行研究，但材料和涂层的使用不与局部温度和热传递相关。研究观察到，主要损伤通常由材料转移表示，这是由于在高温下滑动期间，金属薄片涂层颗粒粘附，而磨粒磨损表现为较小的现象3。由于变形大部分在奥氏体范围11附近完成，在界面处的热传递指数是淬火阶段要考虑的最重要的参数。 一些作者证明了金属片形貌和抗氧化涂层对传热系数的重要性，并指出热物理性质（即热传导率，特定热容）是影响HTC 的主要因素 12。 关于工具材料，在13中报道了工业发展的几个例子，其中研发了在高温下有高的硬度和HTC的特种钢。 不幸的是，实际用于制造模具和工具的普通材料并不是为此目的而设计的，并且一开始是制约这些工艺快速发展的关键限制。本文重点研究对象为为热冲压应用特别开发的新钢种，具有高的表面硬度和高传热系数值，以确保淬火阶段的最大热交换率。 所研究的两种级别的钢中钼元素在金属基质中的分布是不同的。 应用一种新的高温三维测试程序来研究模具材料与热机械循环载荷的摩擦学条件，设定条件为正常表面压力在几十MPa的范围内，温度从600 至800。2.工业过程可以在热冲压工序中通过改变热力学顺序使几何形状种类繁多的零件获得高机械性能，同时减少冲压载荷。在该过程中，在实验条件下呈现铁素体 - 珠光体显微组织的坯料在高于奥氏体化温度（大约高于950）的炉中加热。在180-360秒足够长的均热时间之后，以确保完全奥氏体化，坯料被快速转移到成形压机，在那里它以高达30/ s的冷却速率形成和淬火17。由于高温，平均成型载荷显著降低，在坯料夹持器下坯料和模具之间的界面处的正常压力在185至15MPa的范围内，并且在最关键的成形部分具有约200MPa的峰值19。根据工业生产经验，对于大部分的成型模具，平均正常压力在几十MPa的范围内。在循环结束时，所形成的组件具有完全马氏体的微观结构，强度水平高于1500MPa并且仍然具有可靠的延展性。3.材料3.1 钣金在研究中使用的材料是商业上可获得的硼钢USIBOR1500P TM，是一种用于热冲压的特别地设计，其包括覆盖有Al-Si热浸镀锌涂层的22MnB5金属板，以防止在加热和成形期间的氧化 。 片材的平均厚度为1.5（70.1）mm，标称化学组成报告在表1中。所提供的批料的平均涂层厚度在通过扫描电子显微镜（SEM）观察测量的AlSi涂层的厚度中具有等于25（710）m的符号散射。 图1a表示出SEM交叉在室温下交付状态时的空白涂层的截面，具有已经在7中描述的典型分层结构。 根据图1的图像， 图1b通过SEM和3D抛光器（c）获得，涂层表面的特征为小山谷，最大深度约3（70.2）m，见图 1d。 平均表面粗糙度测量为Sa = 1.295（70.095）m。图1在交付状态下的22MnB5涂层：（a）在室温下测量的AlSi厚度和（b）用SEM观察到的表面形貌和（c）3D抛光器。 （d）沿轧制方向测量的金属板外形。表格1USIBOR1500P TM的标称化学组成（wt）。3.2 工具钢所研究的工具钢是两种不同的高导热钢（HTCS），分别为为HTCS1和HTCS313。这种特别为热冲压工艺设计的钢具有高达60W / mK的热导率，这是常规热成型钢的热导率的两倍以上，例如EN X38CrMoV5-1合金钢，市场上称为BhlerW300。在对用于摩擦学测试的销进行机械加工操作之后，对这两种钢种进行热处理以便增加它们的耐磨性并获得56（71.5）HRC的最终表面硬度。选择用于实现测试样品的加工参数到用于制造冲压模具的工业实践。表2所示为销表面粗糙度的值，其中R a和Ra /分别是垂直和平行于滑动方向的线性粗糙度值。图2表示通过SEM电子背散射（EBS）和3D曲线观察到的HTCS1和HTCS3钢级的销表面。 两种材料之间的图形差异（见图2a和b）是由于它们的可加工性，对于这两种材料，这些值与工业实践经验一致。 图3a和b是关于通过SEM的能量色散X射线（EDX）检测器测量的两种材料的元素和它们的临界浓度的图。 尽管两种钢种在化学元素方面具有相似的组成，但是元素本身的溶解性看起来完全不同。 在HTCS3级的情况下，可以观察到钼的小团聚体，这可以有助于提高耐腐蚀性以及在高温下的强度，而HTCS1级具有在基体中均匀分布的精细的元素。表2销的表面粗糙度。4.实验4.1 高温摩擦学（HTT）装置配备有加热室的Brukers的摩擦计UMT-3被用于在温度上升条件下使用销上盘配置的摩擦学测试，参见图4a。用第3.2节（图4b）中描述的钢种制造的销是安装在具有两个自由度（水平和垂直）的头上，两者都由电动机起动;从直径为54（0.1）mm的坯料板切割的圆盘被固定到底部旋转驱动器。电气驱动允许执行销钉在负载控制模式下进行磁盘测试，因此在整个测试持续时间内都要在引脚和磁盘之间的接口处施加恒定压力。加热室基本上在电炉中，允许温度控制测试高达1000（0.1），这是由于位于腔室内的热电偶，其向控制器提供反馈，参见图 4c。为了再现工业条件，使用非保护气体;同时，采取氧化，并且连续监测室内的相对湿度。每个销在后侧设置有轴向孔，直径为2（0.5）mm，深度为7（0.5）mm，其中K型热电偶（TC）被点焊以监测温度测试（见图4b）。为了模拟工业过程中模具的热循环，基于喷射压力为8（0.1）Pa的压缩空气的空气喷嘴，特别设计安装在炉上的冷却装置，如图4d所示。实验设备的细节由作者在14,15中提出。图2（a）使用SEM和3D补偿器（b）观察的加工后的销的表面形貌。图3（a）用SEM-BSE测量的钢种的元素分布图和（b）用SEM-EDX测量的元素的百分比。图4（a）UMT-3摩擦计，其细节如下：（b）用HTCS钢制造的销，（c）将试样加热到1000的电炉，和（d）冷却装置。4.2 高温摩擦学（HTT）测试程序由于与热坯料的接触和表面滑动，工业生产过程中的模具温度升高。该测试被优化以使滑动相位与最大销温度同步。当销移动离开热盘时，机械应力下降到零，而刚刚在热室外面的空气冷却产生新的热应力（图5d）。测试期间销的温度和冷却速率可以通过压力计在0至8（0.1）Pa的压力范围内调节。根据实验，在16中提到的程序中，首先检查磨损轨道中坯料的AlSi涂层的特性，并且在每100个循环之后选择新的磨损轨迹以继续该试验。在此期间假定采集频率为10Hz进行测试。测试计划和主要参数如表3所示。根据工业热冲压参数选择正常压力，滑动速度和滑动距离。根据库仑模型，通过监测每个循环期间的正常和切向载荷来估计摩擦系数，同时通过在200,600,1200和2000次循环停止测试来研究销表面磨损。表3 计划的HTT测试。图5（a）试验期间的热力学条件，（b和d）主要测试阶段的示意图。5.结果及讨论.5.1热传递热参数 - 即最小值，平均和最大温度，加热和冷却速率，在HTT测试期间由嵌入在引脚中的热电偶进行监控。 两种钢的所有测量值的汇总在表4中。 结果表明，在固定冷却时间条件下，HTCS3散热性更好，在800C的最高测试温度下，热盘和引脚之间的热交换较高（最大和最小测量温度之间的差值T， 对于HTCS3，T等于62.4，而对于HTCS1，T等于55.3），而在600和700的较低炉温下，HTCS1级在散热方面性能更好。 这种行为可归因于在700和800之间呈现不连续性的材料导电性的变化。表4图6.HTCS1和HTCS3钢，通过嵌入销中的热电偶测量的温度变化，炉子温度为600，700和800。图7 （a）在HTCS1在800的情况下在单个循环中记录的摩擦系数的示例，和（b）在2000个周期期间计算的摩擦系数的平均值。 图6显示了在两个钢种的测试期间测量的温度的细节。 变焦区域显示冷却速率几乎是恒定的（对于800的测试温度等于3/ s，对于较低温度等于2.3/ s），因为其主要取决于空气的压力， 喷涂在试样和喷涂的持续时间。 相反，对于600和800的炉温，加热速率（HR）取决于炉温，并且范围从HR2 = 2.7/ s至HR1 = 3.7/ s。 与在16中介绍的EN X38CrMoV5-1钢级所获得的类似结果相比，可以观察到HTCS钢级具有较低的平均工作温度（在钢HTCS1的情况下最多减少15 温度800）。5.2 摩擦摩擦系数根据库仑模型（方程（1）计算其中F是切向载荷，N是销施加到盘表面的法向载荷，是界面处的剪切应力，是法向应力，A是表面之间的接触面积。对于每个滑动循环，监测F和N以检查试验的稳定性，参见图 7a，并且用相应的散布计算每个单个滑动周期的平均值。然后，将在固定温度下进行的所有2000次循环的值平均，得到图7b所示的一般值与全局标准偏差的评估。两种等级的钢在测试温度下呈现类似的摩擦系数值，随着时间的高稳定性，数据的低散射证明了这一点。在最低温度观察到最高值，检测到随着测试温度的增加而降低。在700和800下测量的摩擦系数几乎呈现相同的值，表明该方法的临界温度值低于700。在15中已经解释这种行为是由于涂层剪切强度的降低和膜内润滑机制的激活，以便适应两个表面的相对位移。因此，根据等式（1），由于试验温度的升高导致的剪切应力的减小决定了摩擦系数的减小。与在高温工艺中采用的标准钢种（如EN X38CrMoV5-1）相比，HTCS钢种具有较低的摩擦系数，从而降低了滑动阻力16。 这主要是由于不同的初始表面粗糙度Sa和通常在冲压工具中实现的热处理在实验中使用的销上使用：用EN X38CrMoV5-1钢制造的所有销表现出Sa的值高于 HTCS1和HTCS3钢。 此外，如在测试期间测量的稳定切向载荷所示，新级别呈现较小的破坏氧化物的倾向。图8.在HTCS1和HTCS3钢种的情况下，在200,600,1200和2000次循环后测量的不同温度下的销脚重量变化。图9.在（a）600，（b）700，（c）800下HTCS1销表面的SEM-BSE和EDX分析。5.3 磨损通过以下方式测量销磨损：（i）在不同循环次数下测量重量变化，（ii）SEM-EDX分析以了解从金属片传递到销的材料或反之亦然（如果存在的话） 和（iii）通过SEM和3D光学补偿器的销滑动表面的光学观察和测量。 两种等级的钢都受研磨剂和粘合剂磨损机理影响，尽管程度不同，如图8所示。 其中销的重量变化相对于循环次数绘制。与HTCS1级相比，HTCS3钢受粘附现象影响较小，与2000次循环后的0.34相比，最大重量增加为0.12。对于这两种钢种，温度对出现此种现象具有主要影响：在800，检测到约0.10的重量损失，而最低温度主要受粘附现象影响。图9和10分别示出了销表面的SEM-BSE和EDX以及在不同测试温度下测量的化学成分的重量百分比。 SEM图像表明，在较低温度下从金属片材到销表面发生材料转移，而仅在800下进行磨损。这种结果还受到用化学分析检测到的Al的量的支持，其是22MnB5涂层的一部分，以防止在高温下坯料的氧化。与标准EN X38CrMoV5-1的比较显示HTCS级钢中的磨损更严重，特别是在最高温度下，磨损对模具使用寿命中产生更显著的影响16。图11显示了在800的炉温测试的2000次循环之后的HTCS1和HTCS3的情况下的销表面的更大的放大率。 可以看出，在用HTCS3级钢制造的销表面上以及从22MnB5转移的AlSi涂层上仍然可以看到Mo聚集体。图12显示出了在不同循环次数下在800下两种钢种的销滑动表面，如第3.2节所述。 由于在200次循环后进行第一次测量，检测到表面的大的塑性变形，去除大部分接触表面。 作为残留在滑动表面之间的较硬碎屑的结果，如通过在点B中进行的化学分析证明，在磁盘表面上犁出的Al也可能在销表面上出现一些划痕并绘制在光谱中。 3D图像显示磨损几乎保持均匀，除了检测到划痕的区域。图10.在（a）600，（b）700，（c）800下HTCS3销表面的SEM-BSE和EDX分析。图11.在800的炉温下测试的HTCS1和HTCS3销的SEM-BSE图像。图13示出了在700下的HTT测试的结果，其中在SEM-BSE和EDX分析中检测到两种钢种的不同表现。 对于HTCS1钢，在第一个600次循环中，检测到从盘到销表面的很多的材料转移：平台焊接到销表面上，并且可以突然撕开，如在1200次循环之后发生的那样。 由于第一次测量在200次循环时进行，HTCS3级钢受粘附性影响更大，但以下测量显示更小的材料部分粘附在销表面上的情况更稳定。图12.当在800下在AlSi涂覆的盘上滑动时，HTCS1和HTCS3级钢的销磨损：（a）不同循环数的销表面，EDX分析的细节（b）和（c）Sa测量 销表面。图13.在700下在AlSi涂覆的盘上滑动时HTCS1和HTCS3级钢的销磨损：（a）不同循环次数的销表面，EDX分析（b）和（c）销表面Sa测量的细节 。图14显示出了在600下的测试结果，该温度是在热冲压中通常发生金属板变形的最低温度。 根据如图8所示重量的变化。，在这样的试验温度下，从第一次循环开始，在销表面上会出现金属片涂层的严重粘附。 在每个试验停止时，在销表面上检测到大部分AlSi涂层，如SEM-BSE和3D屈光力测量所示。 在这样的温度下，检测表面粗糙度方面的最坏的表面条件。 对于所有的测试条件，SEM-EDX分析没有显示原始硼钢的元素转移到销。图15显示了在不同测试温度下测量不同循环次数的表面粗糙度Sa的值。 销粗糙度的测量反映了上述磨损机制的演变; 在800的温度下对于两个等级钢检测到较低的粗糙度值，其中磨料磨损是主要的并且表面看起来更光滑和均匀。 相反，随着试验温度降低，表面粗糙度值增加，因为销上的强粘合产生了锯齿状表面。在最低测试温度下，检测到的HTCS1钢具有更大的粘附性可以用钢的较低导热率来解释。事实上，较低导热率的HTC钢在盘 - 销界面处具有较高的温度，导致盘涂层的剪切强度较低，这使得更容易将Al和Si颗粒转移到销表面。对HTCS3钢来说，较高的热导率（以及因此较低的温度）使得该现象不太明显。随着温度的升高，钢种存在磨损机制，这种从粘附到磨损的变化可以随着表面硬度的降低来解释，。图16示出了在测试之前测量的两种钢种的HRC硬度。在700下进行测试的情况下，嵌入销中的热电偶测量的温度升高到180（外表面上的温度高于500），结果表面硬度下降产生磨损现象。此外，在最高测试温度下的磨损可能与通过氧化或涂层粉尘在表面上产生的磨料颗粒相关：氧化物颗粒可以大于分布在基体中的碳化物，并且决定销的磨损。图14.当在600下在AlSi涂覆的盘上滑动时，HTCS1和HTCS3的销磨损：（a）EDX分析不同循环次数的销表面，（b）和（c）Sa测量销表面。图15.在200,600,1200和2000次循环后测量的不同温度下的销表面粗糙度Sa：（a）HTCS1和（b）HTCS3等级。图16在不同温度下测量的销表面HRC硬度6.结论本篇论文研究了高导热性钢的摩擦学性能对于热冲压工具性能的影响。更特别地是，通过比较在金属基质中具有不同钼聚集体的钢，分了析对摩擦和磨损损害的影响。研究中采用的方法是基于物理模拟技术来再现工业条件下典型的循环热机械负载。为此开发了一种新的高温摩擦学测试程序以及实验装置，以在600至800的温度范围内和在几十MPa压力范围内再现热机械循环负载的模具材料的摩擦学条件。发现这两个级别钢在研究中呈现出几乎相似的摩擦系数和高稳定性。温度越高，根据库仑模型的测量的摩擦系数越低。在磨损损伤方面，两种等级的钢都受粘合和磨损现象的影响，后者在最低测试温度下与这两种现象关系更密切。 HTCS1钢受粘合性影响更大，而在800的温度下，两种钢主要受磨损的影响。总体研究结果表明，有Mo元素的小团聚体表征的材料结构比在金属基体中均匀分布的Mo元素具有更好的性能。参考文献1 Merklein M, Wieland M, Lechner M, Bruschi S, Ghiotti A. 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