在 摩擦学的发展 1687 - 5923 1687 - 5915 Hindawi出版公司 10.1155 / 2016/8106410 8106410 研究文章 激光变形热冲压模具的摩擦磨损行为 Shihomatsu 安德烈 1 http://orcid.org/0000 - 0003 - 4610 - 0106 按钮 塞吉奥Tonini 1 席尔瓦 虹膜盒饭哒 2 De Baets 帕特里克 1 制造业和材料工程系 机械工程学院 坎皮纳斯大学 13083 - 970年坎皮纳斯 SP 巴西 unicamp.br 2 机械工程系 圣卡洛斯的工程学院 圣保罗大学 13566 - 590年圣卡洛斯 SP 巴西 usp.br 2016年 3 4 2016年 2016年 30. 11 2015年 06 03 2016年 2016年 版权©2016安德烈Shihomatsu et al。 这是一个开放的文章在知识共享归属许可下发布的,它允许无限制的使用,分布和繁殖在任何媒介,提供最初的工作是正确的引用。

烫金的高强度钢在汽车工业不断发展提高盖组件的力学性能和表面质量。研究人员和技术人员面临的主要挑战之一是提高冲压模具寿命减少磨损引起的高压力和温度过程中。分析热冲压模具的激光纹理,并讨论不同的表面纹理如何影响润滑和磨损机制。这个目的,实验测试和数值模拟进行了定义要卷曲变形死区和描述纹理烫印前后表面形貌测试与三维表面轮廓曲线仪和扫描电子显微镜。结果表明,激光变形影响的润滑界面die-hot表和改善死一生。在这部作品中,最高的最佳纹理呈现酒窝直径、深度、间距、表面形貌和酒窝形态实际上烫金后保存测试。

 1。介绍

近年来,研究摩擦学金属成形过程的汽车行业的重点是产品表面质量和过程性能的提高。在热冲压模具寿命的提高是一个相关的因素来获得更好的产品,更低的成本,和高生产率,因此有必要了解严重的压力和温度条件下影响润滑界面dies-sheet和,因此,磨损机制会导致寿命减少死亡。

烫金的可硬化的钢由加热奥氏体化温度,然后将它上面的空白给媒体,跺着脚,最后冷却和回火死了,提高生产力和冲压零件的机械性能极限强度和冲击韧性 1]。

烫金是一个相对快速的过程,如果与其他金属成形过程相比,因此,生产成本将会显著增加,如果生产必须打断过早和频繁的变化穿死亡。抵制烫金的严重的工作条件,模具必须出示高炎热的高温硬度减少磨损,低敏感性裂缝引起的热冲击,低灵敏度当地回火软化,机械强度高,以避免机械诱导裂缝,低化学亲和力与表盖章合金高温抗氧化性能和高避免开裂腐蚀( 2]。

因此,许多研究提出通过开发新材料来改善死一生死了,空格和涂层钢板( 3- - - - - - 5]。

磨损机制tools-workpiece界面非常复杂,因此许多研究人员多年来一直研究的几个热金属成形过程。的因素可能会影响模具表面可以破坏的方式,研究最多的是工艺条件(温度、速度、和接触压力),模具表面改性(涂层、变形和热处理),和改善工件表面涂层和热处理 6, 7]。

最近,几项研究已经提出了评估的影响涂层钢板热冲压模具的性能( 3, 4, 8- - - - - - 13]。

在啵的工作等。 10)高强度硼钢镀铝热印有模具由三钢具有不同内容的碳、铬、钒、钼、锰、硅。第一个骰子由X50CrMoV5钢铁热处理和nitride-coated存在罚款和齐次马氏体微观结构。第二个材料,nonnitrided 60 crmotiv16钢,呈现良好的韧性和良好的耐磨性和马氏体微观结构精细和球形沉淀和多面大沉淀丰富的钛、钨、和硅,这可能导致硬度的显著波动。

最后,第三名为SG3的物质,也nonnitrided,完全马氏体和一些很好的球状碳化物富含铁、钨、和硅。从结果深拉过程模拟器(DDPS)他们认为最重要的磨损机理是材料转移引起的粘连颗粒的薄涂层在热滑。表面损伤提出了一个快速动力学影响的硬度和颗粒形状和分布每个模具钢。

修改的表面纹理,许多生产过程被广泛研究[ 14- - - - - - 19)和激光纹理(LT)是一种最潜力改善润滑剂润滑的保留和减少磨损和模具损坏产品表面质量(高 20.- - - - - - 26]。滑动表面的地形可以产生额外的流体压力和增加润滑膜刚度,和酒窝或凹槽可以作为润滑剂的水库和陷阱碎片减少磨损 27]。

Ibatan et al。 15)在表面纹理显示最近的发展来改善轴承滑块的摩擦磨损性能。他们的评论,激光纹理是一种最先进的表面纹理技术生产microdimple模式由短的处理时间。否则,LT包括聚焦脉冲激光,这可能产生microdimple模式固化融化边缘包围。此外,材料熔化和蒸发创建热影响区区域凝固融化边缘改变当地的微观结构和力学性能要求适当的脉冲能量和脉冲频率。

拉梅什et al。 16]还研究了不同材质对润滑的影响测试的不同组合宽度、深度和密度的microgrooves由铸造、测试高压摩擦计(HPT)建立的混合和液体动力润滑正常负载和不同滑动速度。他们得出的结论是,在某些组合,纹理的表面比nontextured工具提出了最糟糕的结果。获得了最佳组合,以减少摩擦磨损与坡口深度等于膜厚度,沟槽密度约20 - 30%,以及100年和200年之间的槽宽 μm。

盖革等。 20.)评估激光纹理的影响一生的冷锻模具润滑不良造成的磨损降到最低。他们还研究了影响两个纹理表面涂层:锡和锡+金属氧化物半导体2。他们得出的结论是,纹理与锡+ MoS是最好的提高死一生,因为酒窝出现在纹理保留润滑剂,驱逐过程中减少摩擦,减少磨损。

Andersson et al。 21]分析了激光纹理的影响和一些润滑剂通常应用于金属成形行业。变形表面呈现两个酒窝的密度和两个比率深度/直径的酒窝。三个润滑剂粘度不同的应用。他们得出的结论是,激光纹理显著降低摩擦和磨损死去,纹理和润滑的最佳组合,酒窝密度最低的之一,最大的直径比深度,和最粘性润滑剂。

在这项工作中,我们研究的摩擦学的影响激光表面纹理的热冲压模具评估纹理润滑和磨损的影响通过不同直径,深度,和酒窝的密度,通过评估材质冲压测试前后的显微硬度测量,三维表面形貌,和扫描电子显微镜(SEM)。

 2。材料和方法 2.1。初步考虑

定义激光纹理和润滑条件,这项工作是基于一些文献中给出的结论,导致下面列出的假设考虑参数如图 1。

热冲压模具的激光表面纹理参数。

所观察到的拉波波特et al。 24),丁等。 27),和其他研究人员,酒窝的形状和尺寸由冶金转换过程中发生改变后,激光纹理和涉及到不受控制的热膨胀和收缩引起的反复融化和凝固周期诱导残余应力。波峰(或隆起)可能形成,据丁et al。 27),有害tribofilm的形成,可以支持与磨损表面。

因此,一些假设可能在激光纹理的影响参数对磨损和润滑:

酒窝的数量的增加会增加润滑剂的保留,所以酒窝的密度( γ )必须尽可能高保留更多的润滑剂。

两个相邻的酒窝(之间的距离 δ )必须尽可能小,以保证形成一个连续的电影润滑剂与厚度( t )。

大的酒窝直径( d 与小酒窝之间的距离() δ )可以建立一个隆起峰值;因此波峰高度( H 为了避免与金属接触)必须是有限的。

保证一些润滑剂驱逐了在滑动界面

佳洁士的直径( D )必须避免过度减少有限 δ这可能导致与金属接触;

酒窝深度( h )必须小于酒窝直径( d );

酒窝深度( h )添加到波峰的高度( H )必须小于波峰的直径( D )。

2.2。数值模拟

定义的区域模激光纹理,烫金的“U”形钢部分是2008年模拟使用软件建立基于有限元法(FEM)的磨损模具的建模修改Archard的方程 28]。

图 2显示了工具(冲头和模具)为热冲压设计测试和图 3显示了冲头和模具表空白位置和离散的数值试验。表 1应用于模拟显示了条件。

输入的数值模拟。

材料 初始温度 类型和数量有限元素 平均尺寸的有限元素
空白 钢DIN 27 mncrb5 - 1.8毫米厚 900°C 四面体14623年 2.46毫米
工具 钢AISI H13的 25°C 三角2635年 7.85毫米
工艺参数 按速度10毫米/秒 固体润滑剂金属氧化物半导体2 传热系数和材料属性( 29日]

模具的尺寸(毫米)(a)和穿孔(b)中使用的热冲压测试。

数值simulation-tooling和空白:在烫印烫金后(a)和(b)。

如图 4死亡的地区,提出了最大的伤害,在MPa·mm,模具半径和下面的垂直表面的一部分。啵et al。 10)获得类似的结果证实这些地区很有趣来分析激光变形的影响。

死穿在MPa·mm-numerical结果。

 2.3。激光纹理

的参数激光纹理区域如图 4采用考虑结果的拉梅什et al。 16)认为酒窝深度( h 膜厚度附近)应该在拉模坯的接口。在这工作, h 被认为是30 μ两个材质和150 μm其他两种评估相反的条件提供接口die-workpiece固体润滑剂。

三个相邻的酒窝之间的距离(177、266、420和531 μ米)和三个酒窝直径(100、150和300 μ米)被选择的影响评估酒窝密度等于10 - 25%,所显示胡锦涛et al。( 25)得出结论说,15 - 25%的酒窝密度建议增加dies-workpiece固体润滑涂层的界面,因此,提高刀具寿命。

所有的表面纹理与固态lamp-pumped Nd: YAG激光器,在1064 nm波长功率为100 W。酒窝维度定义和控制处理软件中可用激光设备。

表 2显示了条件用于laser-texture五纹理分析这项工作呈现在图 5。所有的模具都磨、淬火和回火52 hrc,地面,最后激光纹理。死亡只有地面(六分之一 R 一个 = 2。0 μ米)也是测试和分析。

维的纹理参数如图 1。

纹理# 酒窝深度( h ) 距离( δ ) 酒窝直径( d ) 密度 π ·( d/ 2 δ )2
( µ米 ] ( µ米 ] ( µ米 ] ( % ]
1 30. 177年 One hundred. 25
2 150年 266年 150年 25
3 30. 420年 150年 10
4 30. 266年 150年 25
5 150年 531年 300年 25

草图和SEM图像前五材质冲压模具半径的测试。

 2.4。烫金的测试

冲头和模具装配在液压机与额定容量300 kN, 10毫米/秒的速度工作。每个冲压测试之前,死亡与固体金属氧化物半导体清洗和润滑2。

DIN 27 mncrb5钢的空白(厚1.8毫米,宽65毫米,82毫米长)在900°C的电炉加热10分钟,然后和热转移印媒体形成“U”形部分。每个纹理测试100次。

 2.5。描述激光纹理的死亡

死的纹理的表面烫印测试之前和之后进行了分析评估地表地形、显微硬度、表面完整性。烫金表面都是用乙醇清洗后在分析超声波设备。

分析了表面形貌与3 d轮廓曲线仪WYKO NT100 Veeco仪器。威克斯显微硬度的测量三次四个职位(①④图 2(一个))对于每一个纹理,microdurometer比勒2100年10 N的负载。

扫描电子显微镜蔡司EVO MA15被用来评估变形模具的表面完整性,前后分别冲压测试。表面也与数码相机索尼DSC-W350合影。

 3所示。结果与讨论 3.1。显微硬度维氏

表 3介绍显微硬度的结果对所有纹理测量维氏之前(A) (B)和之后的烫金测试和图 6②图显示了结果的位置 2(一个)靠近死亡半径。

显微硬度维氏的纹理烫印测试之前和之后。

纹理# 位置 烫金测试之前 烫金后测试
的意思是 ( 高压 ] 标准偏差 的意思是 ( 高压 ] 标准偏差
1 1 565年 20. 538年 25
2 565年 32 573年 19
3 597年 19 592年 30.
4 574年 23 534年 32
2 1 486年 40 590年 32
2 597年 18 572年 16
3 534年 35 576年 4
4 525年 23 568年 23
3 1 571年 33 501年 30.
2 587年 38 603年 29日
3 581年 17 581年 19
4 580年 29日 616年 21
4 1 607年 19 563年 12
2 591年 22 563年 9
3 584年 51 565年 29日
4 530年 20. 569年 32
5 1 514年 13 568年 35
2 571年 17 595年 28
3 564年 34 568年 19
4 583年 32 585年 18
随着磨 1 548年 26 592年 28
2 570年 40 595年 28
3 564年 25 568年 19
4 568年 27 585年 35

显微硬度测量维氏附近的点(2)模半径为所有纹理前(B)和(A)后烫金测试:最大,平均和最小值。

比较统计学上每个点的均值和标准差冲压测试之前和之后的六个纹理可能得出结论,没有显著性差异,假设一个显著性水平 α 等于0.05,相同的观察比较硬度6中每一点纹理,冲压测试之前或之后。因此,激光纹理和冲压测试并没有改变模具硬度和,因此,并没有导致纹理表面的磨损。

 3.2。表面形貌

评估激光纹理酒窝几何和维度的影响,六个酒窝的直径为每个纹理测量两次,总计十二测量。同样的六个酒窝被测量三次相邻的酒窝和酒窝深度之间的距离。表 4提出了轮廓曲线仪的测量结果分析冲压前测试。

名义和测量维度的纹理参数如图 1冲压前测试。

纹理# 酒窝深度( h ) ( µ米 ] 距离( δ ) ( µ米 ] 酒窝直径( d ) ( µ米 ] 密度 π ·( d / 2 δ )2 ( % ]
名义上的 测量(意思是/标准偏差) 名义上的 测量(意思是/标准偏差) 名义上的 测量(意思是/标准偏差) 名义上的 测量(最小/最大)
1 30. 25±5 177年 175±5 One hundred. 106±10 25 22/37
2 150年 151±10 266年 265±4 150年 171±8 25 29/37
3 30. 27±1 420年 424±6 150年 206±45 10 11/28
4 30. 23±7 266年 269±6 150年 155±10 25 25/31
5 150年 93±3 531年 543±17 300年 363±28 25 28/43

每个维度的均值和分散在名义值附近,除了纹理# 5的酒窝深度和纹理的酒窝直径# 3和# 5,确认条件应用于激光过程允许的变形控制在大多数条件。

酒窝直径结构的色散# 3保持最低酒窝密度接近10%的名义证明最糟糕的润滑条件,在表面形貌的分析,讨论和确认拉波波特等人的结论。 24]。

虽然质地# 5提出了平均测量酒窝深度小于名义和平均酒窝直径大于名义,最低酒窝密度并没有减少,最大密度增加到43%,接近最优密度(40 - 50%)发现了拉波波特et al。 24),43%发现胡锦涛et al。( 25]。因此,酒窝密度最高的纹理# 5青睐的诱捕润滑剂和润滑界面的可用性,将讨论在图的分析 11 (b)。

数据 7- - - - - - 12显示的结果表面光度仪在该地区死亡半径的六个表面冲压测试之前和之后。

表面topography-texture # 1,模具半径:之前(a)和(b)冲压后测试。

表面topography-texture # 2模半径:之前(a)和(b)冲压后测试。

表面topography-texture # 3模具半径:之前(a)和(b)冲压后测试。

表面topography-texture # 4,模具半径:之前(a)和(b)冲压后测试。

表面topography-texture # 5,死亡半径:之前(a)和(b)冲压后测试。

表面topography-ground表面,模具半径:之前(a)和(b)冲压后测试。

隆起在纹理很明显# 1,# 2,# 4冲压测试之前,最高波峰纹理# 2(图中观察到 8(一个)),它提供了最高的酒窝深度、名义和测量(约150 μ米)。因为质地# 2礼物小酒窝直径和间距相邻酒窝比纹理# 5(相同的名义深度),因此应该包含更少的润滑剂和更容易磨损,它可以提供一个重大变化的表面,实际上观察到的图 8 (b)。

纹理# 3和# 5提出了几个小波峰,而纹理# 1和# 4提出了全是类似的高度和分布。纹理# 1,# 3,# 4提出类似的酒窝深冲压前测试。

烫印后的测试中,纹理# 1提出了一个重大变化的地形,和酒窝深度显著降低(图 7 (b))。酒窝也减少之间的距离可能膨胀变形的近似与金属接触造成的波峰和工件表面润滑剂不足进行的小而浅的酒窝。

纹理# 2也经历了重大变化:地形完全修改,酒窝深度提出了五个纹理中减少最高,该凸起完全压扁变形表面(图 8 (b))。

在冲压测试之前,纹理# 3(图 9(一个))几乎没有凸起,同样的酒窝的深度和直径酒窝纹理# 4,但间距大于60%纹理# 4(图 10 ())。冲压后测试,观察,如图 9 (b)、纹理# 3大部分的酒窝变形了穿在冲压测试期间,和一些几乎消失了,也许是因为小润滑剂中可用浅酒窝,不足以润滑表面在低密度的酒窝。

否则,纹理# 4(图 10 (b)酒窝深度)经历了一个显著减少,凸起仍然存在,变形,但没有减少酒窝之间的间距。

纹理# 5,除了一些凸起在冲压测试(图 (11日)),也提出了很高的酒窝直径和间距,,,防止磨损,增加了大量的润滑剂被困在酒窝,烫金后产生的测试在一个没有波峰的纹理和保存酒窝因为无论是深度还是间距显著降低(图 11 (b))。

地表粗糙度平均为2.0 μm(图 12(一个))是影响冲压测试(图 12 (b)),表面粗糙度降低,平行的划痕形成垂直于原始的,可能通过直接与金属接触造成的耕地,确认光滑表面不能陷阱润滑剂,避免磨损,所观察到的其他作家相比,变形和untextured表面( 16, 27]。

 3.3。扫描电子显微镜

数据 13- - - - - - 18显示了SEM表面,在该地区的模具半径、五个激光变形模具和冲压测试之前和之后地面,两倍的放大:200年和700年x。

扫描电镜的图像模radius-texture # 1:之前(a)和(b)烫印后测试。

扫描电镜的图像模radius-texture # 2:之前(a)和(b)烫印后测试。

扫描电镜的图像模radius-texture # 3:之前(a)和(b)烫印后测试。

扫描电镜的图像模radius-texture # 4:之前(a)和(b)烫印后测试。

扫描电镜的图像模radius-texture # 5:之前(a)和(b)烫印后测试。

死radius-ground表面的SEM图像:之前(a)和(b)烫金后测试。

SEM图像的表面形貌的结果。纹理# 1、# 2和# 3(数据 13 (b), 14 (b), 15 (b))被烫印完全修改测试,几乎完全变形凸起和夷为平地,可能由粘附磨损和磨损引起的金属接触和磨损产生的氧化物和其他硬粒子,所观察到的Ghiotti et al。 8)和维兰德Merklein ( 9)和其他研究人员还研究了摩擦学在烫印。

最酒窝的纹理充满了固体润滑剂或氧化物粒子从工件测试温度升高,可以观察到在图 19,它显示了粒子纹理# 5的酒窝。

SEM图像的粒子在一个酒窝纹理# 5模半径的烫金后测试。

否则,纹理# 4和# 5(数字 16 (b)和 17 (b))提出最保存酒窝烫金后测试,观察和评论在表面形貌分析,与凸起在纹理# 4仍然存在。

纹理# 5几乎呈现相同的酒窝形态学冲压后测试,除了最初的几个稍扁的凸起。

最后,地面的图像(图 18 (b))也非常类似于表面形貌(图 12 (b))与划痕垂直于原始的,可能由磨损引起的,和显然比以前光滑表面烫印测试。

 4所示。结论

酒窝的影响维度(直径、深度和间距)激光变形热冲压模具的性能研究,主要结论如下:

激光纹理是一个合适的过程改善热冲压模具的摩擦磨损性能,因为所有的纹理评估这项工作比untextured表面更好的避免与金属接触。

加工条件用于激光纹理给好的结果的酒窝尺寸和间距的纹理进行测试。

增加酒窝的数量增加润滑剂的保留,所以酒窝的密度必须尽可能高保留更多的润滑剂。然而,两个相邻酒窝之间的距离不能过小干扰的凸起在激光纹理和热冲压变形测试。

酒窝直径必须尽可能最高的高间隔,以避免与金属接触,由于高凸起。

纹理与最小的酒窝直径、深度和间距提出了最糟糕的表现与地形完全被胶和磨料磨损。

最佳的性能获得了最高的纹理酒窝密度,接近40%,其他研究人员得出结论,酒窝最高的直径和间距,直径的四分之一的酒窝。表面形貌和酒窝形态实际上保存冲压后测试,除了稍扁的凸起。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突。

 确认

作者要感谢FAPESP(过程2011/12927-6)必须占州政府的财政支持这项工作。

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