Al - Si 镀层硼钢板热冲压模具磨损失效分析

2020-02-27 10:18:56 来源：锻压技术

导读： 针对热冲压生产过程中模具易磨损失效的问题, 以 Al - Si 镀层板冲压用 CR7V - L 钢磨损退役模具镶块为分析对象, 利用扫描电镜、能谱仪及显微硬度计对镶块磨损表面和剖面进行微观形貌分析、化学元素测试及硬度测量, 对热冲压生产工况下模具的磨损机理进行研究。研究结果表明 Al - Si 镀层板热冲压模具存在特殊的磨损过程: 板料镀层会粘附在模具表面, 并在冲压循环中发生脱落、再粘附; 同时, 模具表面发生氧化和疲劳, 造成材料损失并随粘附物脱离, 这是造成模具磨损失效的主要原因。此外, 模具亚表层硬度下降, 发生明显的塑性变形, 会加剧模具的磨损失效。

文：吴斌斌林建平马治军刘亿郭水军（同济大学上海市地面交通工具空气动力与热环境模拟重点实验室同济大学机械与能源工程学院; 上海赛科利汽车模具技术应用有限公司）

热冲压是一种高强钢成形技术, 能够在保证冲压零件使用安全性能的前提下实现轻量化, 在汽车领域有广阔的应用前景。热冲压成形工艺是将板料加热, 使其完全奥氏体化后再进行冲压, 并在成形和保压过程中进行淬火处理, 以获得具有均匀马氏体组织的超高强度钢构件。热浸镀 Al - Si 镀层能够提高板料耐热耐腐蚀性能、抗高温氧化性能和外观装饰性能等, 在热冲压生产中有着广泛的应用。研究表明, Al - Si 镀层板料能够降低热冲压模具磨损。对镀层板与模具的摩擦磨损行为进行研究, 分析其磨损机理, 寻求减少磨损的措施, 对提高模具耐磨性、降低生产成本有着重要意义。

目前, Al - Si 镀层板料对模具材料的磨损研究大多通过实验室中的摩擦磨损试验完成。 Hardell J等通过 SRV 往复式摩擦磨损试验机研究了不同温度下 Al - Si 镀层硼钢板与模具钢的磨损规律, 结果表明 800 ℃下 Al - Si 镀层能够明显降低模具钢的磨损,但Al-Si镀层对磨损的影响机制尚不明确。VeitR等发现Al-Si镀层硼钢板在奥氏体化处理时, 钢板中的 Fe 向 Al - Si 镀层扩散, 形成Al - Fe - Si 三相合金相, 且不同的奥氏体化时间扩散程度不同, Al - Si 会发生不同程度的组织转变。 Ghiotti A 等将 H11 钢制成销并与硼钢板在800 ℃下对磨, 观察到板料表面的 Al - Si 镀层粘着到销上并发生氧化, 但随摩擦时间增长,硼钢板表面镀层变薄, 销上发生了磨料磨损。BoherC等利用高温下的拉深试验模拟热冲压工况下模具圆角与板料的磨损, 同样观察到 Al - Si 镀层在模具上的粘着, 并提出了判断粘着和磨损程度的 3 个指标。 Azushima A 等设计了一种平面摩擦磨损装置用于研究 Al - Si 镀层板料与模具钢的摩擦磨损规律。 Marion Merklein 等设计了相似的试验装置,研究了不用奥氏体化时间对 Al - Si 镀层硼钢板和1． 2367 模具钢摩擦磨损行为的影响规律[12] 。目前,相关研究均通过摩擦磨损试验完成, 但大多数摩擦磨损试验参数的选择缺少依据, 条件与生产工况存在明显差异。此外, 由于 Al - Si 镀层的粘附, 目前尚未有学者对模具材料表面的失效进行观察和分析,缺少对其磨损机理的分析和解释。

因此, 本文以热冲压实际生产中 Al - Si 镀层板冲压用磨损失效 CR7V - L 钢模具镶块为对象, 对其微观磨损形貌和组织特性进行了理化分析, 并用化学手段去除粘附物后对模具材料表面进行直接观察,对模具的磨损失效机理进行了讨论和分析, 从而为模具耐磨性提升方法的选择提供理论依据。

1 试样制备与试验方法

1． 1 试样制备

试验材料为生产中用于汽车 B 柱热冲压的模具镶块, 退役前已达 60 万冲次, 模具型面圆角处发生了严重磨损, R角明显变大, 如图 1 所示。热冲压板料为 22MnB5 钢, 钢板表面 Al - Si 镀层的化学成^分(^质量分数) ^主要为: Si 10% , Fe 3% , Al 87% ^[4]。模具材料为德国 KIND & CO 公司生产的 CR7V - L 钢, 其化学成分如表 1 所示。模具服役前采用 1030 ℃ 淬火、 3 次 560 ℃ × 2 h 回火的热处理工艺。冲压前板料在高温炉中约 930 ℃ 环境下保温 5 min, 随后通过传送带运输到模具上, 进行冲压成形并保压淬火 7 ~10 s, 生产线上一套模具每分钟可完成 5 个冲程。

以图 1 所示模具严重磨损位置为分析对象, 利用线切割对该位置模具材料进行取样, 取样方法如图 2 所示。将试样 A 用冷镶嵌树脂进行固定, 使磨损表面朝上, 用于观察原始磨损形貌; 将试样 B 用热镶嵌法进行固定, 使其剖面朝上, 用于观察粘附层与模具基体的结合、模具亚表层塑性变形及测量模具基体硬度等。

1．2 试验方法

1.2.1 表面磨损形貌观察

^用Hitachi S - 3400 型扫描电子显微镜(SEM) 对试样 A 表面磨损形貌进行观察, 并用 EDAX TSL 型能谱仪 (EDS) 测定磨损表面元素含量。由于 NaOH 溶液可以溶解 Al 及其氧化物, 而不与钢中其他元素发生反应, 因此, 用热 NaOH 溶液清洗磨损表面粘附物, 以得到模具表面的真实磨损形貌。将试样 A 放置于热饱和 NaOH 溶液中清洗 10 min, 用酒精在超声波清洗器中清洗 5 min 后, 再次进行表面形貌观察和元素分析。

1.2.2 剖面观察

依次用 400 目、 800 目、 1500 目砂纸打磨试样 B, 随后用金刚石抛光剂对试样进行抛光, 用酒精在超声波清洗器中对试样清洗 5 min。利用 SEM 和 EDS 对试样磨损位置剖面进行观察和元素分析利用显微维氏硬度计对模具磨损位置下方基体进行硬度测试, 在距离镶嵌边界 20 ~ 100 μm 范围内进行硬度测试, 选用 0． 3 kg 的加载力, 加载时间 10 s, 在每个距离水平上测量 5 个点的硬度并取平均值。使用 4% 硝酸酒精溶液对剖面热镶嵌试样进行腐蚀, 在 SEM 下观察试样磨损亚表层的塑性变形情况。

2 试验结果与讨论

2． 1 模具磨损表面观察

在 SEM 下得到试样表面磨损形貌如图 3a 和图3d所示。从宏观形貌来看, 试样 A 的磨损表面光滑平整, 未观察到明显的损伤和破坏。如图 3a 所示, 观察到大面积的片状粘附物, 且粘附物表面较为平整, 边缘具有较为明显的断裂轮廓, 除粘附物外表面较低的平坦位置可能为模具原始表面。在图 3b 中同样可以清楚地观察到两种形貌。对区域Ⅰ、区域Ⅱ两个选区进行元素分析, 结果如图 3c 和图 3d 所示。

区域 Ⅰ 主要元素为 Al ( 54． 15% ), O(22． 1% ), Fe (20． 3% ) 和 Si (3． 5% ), 表明粘附物的主要来源为硼钢板的表面镀层。其中, O 含量较高, 表明粘附物发生了明显的氧化; 较高的 Fe 含量则可能是由于在硼钢板奥氏体化阶段, 板料中的Fe 扩散至镀层中导致。区域Ⅱ中的主要元素与模具钢材料基本相吻合, Al 含量较少, 表明该位置几乎没有粘附物, 为模具暴露的表面; 含有 O(8． 07% ), 则表明模具表面发生了一定程度的氧化。图 4 所示为饱和 NaOH 溶液清洗后磨损表面形貌的 SEM 照片及表面元素分析结果。在用 NaOH 溶液清洗后, 粘附物消失, 表面相对较为平整。表面化学元素分析结果中不含有 Al, 证明对 Al 及其氧化物的清洗效果较理想; 同时, Si 的质量分数和 CR7V - L 钢中相近 (低于粘附物中 Si 含量), 表明粘附物中的 Al 及其氧化物在 NaOH 溶液中溶解的同时, 其中的 Si, Fe 及 Fe 的氧化物等夹杂物也会大部分随粘附物脱离模具, 这与在 NaOH 溶液中观察到浑浊沉淀现象相吻合。

去除粘附物后模具表面磨损形貌大致可以分为3种: 光滑表面、粗糙表面和片状翘曲形貌, 且整个表面含有较高的 O 元素。磨损表面整体较为光滑, 表明在冲压过程中, 板料和模具表面间不存在磨粒的微切削作用, 因而未出现较大的划痕和沟槽。局部粗糙表面位置出现小坑和凹痕, 主要是由冲压循环应力作用下产生的疲劳引起。片状剥落的产生则主要是由模具表面材料的氧化引起, 与 EDS 结果中 O 含量较高相吻合。

2． 2 模具磨损剖面观察

在 SEM 下得到试样磨损位置的剖面图像, 如图 5a 所示。图像中可以分辨出粘附物和模具基体, 且粘附物厚度约在 2 ~ 5 μm 之间。在剖面分别选择 3 个区域进行元素分析, 结果如图 5b、图 5c 和图 5d 所示。其中, 区域Ⅰ为模具表面粘附物, 区域Ⅱ为模具亚表层距表面约 2 μm 处, 区域Ⅲ为模具亚表层距离表面约 5 μm 处。在区域Ⅰ中, 除了 O, Al, Si 和 Fe 外, 还含有少量模具钢中所特有的 Cr; 区域Ⅱ中, 除了模具钢含有的元素外, 还含有一定覆层中的 Al; 区域Ⅲ中, 元素种类及其含量与模具钢相符合。

试样磨损位置亚表层的硬度梯度如图 6 所示, 可以观察到材料亚表层硬度有明显下降。亚表层 180 μm 范围内的硬度均低于基体硬度, 越靠近表层位置硬度越低。

在试样亚表层可以观察到明显的塑性变形, 如图 7 所示。亚表层不同区域的塑性变形程度有较大差异, 最大变形横向位移达 20 μm, 最大变形深度约20 μm。

2． 3 模具磨损机理分析

结合图 3a 和图 3b 的磨损表面形貌以及图 5a 的剖面分析结果, 可以发现, 在热冲压生产过程中, 模具大部分表面会被板料表面镀层覆盖, 少部分模具表面会裸露出来。粘附物的成分主要为 Fe, Al 和 Si, 这是由于板料在奥氏体化阶段, 板料中的 Fe 扩散至 Al - Si 镀层中, 表面镀层发生组织转变, Al -Si 相变为 Al - Fe - Si 三元合金相。

从图 5a 的磨损位置剖面图像可以看出, 粘附物和模具表面结合较紧, 局部出现齿状的咬合。由图5b中的元素分析可以看出, 粘附物中含有一定量的 Fe和 Cr。由于在板料奥氏体化阶段中, 硼钢板中的 Fe 会扩散至 Al - Si 镀层中, 因此, 较难判断热冲压过程中模具中的 Fe 是否会扩散至镀层中。而 Cr 为模具钢中所独有的元素, 粘附物中出现 Cr 则有两种情况: 一是热冲压模具与板料接触过程中, 模具表面元素向板料覆层扩散, 因此粘附物中含有 Cr; 二是发生了模具表面材料的去除, 剥离的模具材料夹杂在粘附物中。同时, 观察到模具表面下方 4 μm 范围内有较高含量的 Al, 表明粘附物有向模具表面扩散的趋势。高温下 Fe 和 Cr 均易与 Al 发生反应生成新相, 板料覆层和模具表面材料发生反应, 这大大提高了板料覆层与模具表面的结合强度。高温下板料覆层内部强度较低, 当覆层与模具表面的抗剪切强度大于覆层自身内部的抗剪切强度时, 覆层内部发生撕裂, 部分覆层将会粘附在模具表面, 形成在模具表面所观察到的粘附形貌。

模具磨损位置存在部分不规则分布的裸露表面, 表明在多个冲程下, 部分位置的粘附物从模具表面脱离。一方面, 粘附物会改变模具表面形貌, 凸起的表面在冲压中会受到更大的摩擦作用, 使粘附物更容易与模具分离; 另一方面, 粘附物和模具的结合界面处可能会发生氧化及疲劳, 降低了粘附物与模具的结合强度, 使粘附物的脱离更加容易。结合以上分析, 可以得到以下结论: 粘附物在模具表面并不会恒定存在, 而是有一个粘附、脱落、再粘附的循环过程。由于板料覆层与模具表面的粘附物成分相似, 在冲压过程中易形成新的结合, 当该结合强度大于粘附物与模具表面的结合强度时, 粘附物从模具表面脱离。粘附物在脱落过程中会带走部分模具表面材料, 因此, 粘附物的脱落是模具发生磨损的前提

在用 NaOH 溶液清洗模具表面粘附物后, 在模具表面观察到大量鳞片状的氧化层, 边缘发生翘曲、断裂, 如图 4 所示,这与金属材料在高温下摩擦磨损的剥层现象一致。这表明,在粘附物覆盖的情况下, 模具表面材料依然发生了氧化, 生成片状氧化层。氧化层呈脆性, 在冲压的过程中易发生碎裂, 随粘附物一起脱离模具表面, 造成模具表面材料的去除, 如图 8a 所示。由于冲压板料所带热量有限,且模具通常具有高效的冷却系统, 在冲压瞬间模具表面最高温度也仅为 300 ℃ 左右[20] , 工作温度低于大多种类热作模具钢。同时,粘附物的覆盖也避免了模具与空气直接接触,能够减缓模具基体的氧化。

液清洗模具表面粘附物后, 在模具表面观察到大量鳞片状的氧化层, 边缘发生翘曲、断裂, 如图 4 所示,

在模具表面观察到粗糙表面, 局部出现凹痕和小剥离坑, 表明模具表面出现疲劳, 引起材料的去除, 如图 8b 所示。一方面, 当氧化层剥落后镶嵌在粘附物中, 由于硬度较高, 会在模具对应位置产生应力集中, 出现局部的疲劳失效。另一方面, 材料组织成分偏析、链状碳化物也会使模具出现局部的高硬度和脆性, 在循环接触应力的作用下易发生微观裂纹的扩展和材料剥离。

此外, 热冲压过程中模具表面材料会受到机械、热循环载荷, 加速模具材料性能的下降和失效产生。模具表面 180 μm 范围内均出现了硬度下降, 主要是由于模具钢在与高温板料的接触过程中, 高温使模具组织发生进一步回火。塑性变形的产生是是由于

在冲压摩擦过程中, 模具表层受较大切应力, 且模具表面材料性能下降也加剧了塑性变形的产生。表层氧化物通常硬而脆, 亚表层的塑性变形会加速氧化层的脱落和剥离; 同时, 塑性变形易使基体中产生微小裂纹, 加速模具材料的氧化和疲劳。

热冲压生产中 Al - Si 镀层在模具表面形成的粘附物, 能够在一定程度上减轻模具的磨损。一方面, 粘附物避免模具表面与空气直接接触, 降低模具表面的氧化速度和氧化程度。根据表面形貌观察, 模具氧化剥层较小, 尺寸均在 20 μm 内, 且剖面不能直接观察到氧化层, 剖面 EDS 结果同样表明氧化较浅。另一方面, 粘附物的覆盖有效避免了脱落的脆性氧化物在冲压过程中对模具造成的磨粒损伤, 故磨损表面整体较为平整光洁, 没有出现大的损伤。