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     IF（無間隙原子）鋼屬于DDQ（Deep Drawing Quality）級別深沖鋼，具有良好的材料成形性，對成形復(fù)雜、拉延深度大的零件具有很好的適應(yīng)性，廣泛應(yīng)用于汽車、家電等領(lǐng)域。實際沖壓過程中，該鋼會受到材料性能、顯微組織、摩擦特性及沖壓環(huán)境等多因素影響而出現(xiàn)沖壓開裂、起皺等問題，因此，開裂和起皺問題一直是深沖鋼材料應(yīng)用研究的重點。近年來，國內(nèi)外各大鋼鐵公司和研究學(xué)者對鋼的化學(xué)成分、軋制工藝、退火制度等因素對IF鋼深沖性的影響開展了大量研究，并取得了顯著成果，但目前大多數(shù)研究主要集中在板材力學(xué)性能對成形性能的影響上，而實際板材沖壓過程十分復(fù)雜，需綜合考慮材料組織、力學(xué)性能與表面特性等因素的影響。

 

     研究人員以兩種退火溫度和平整工藝下的DC03鋼為研究對象，分析了退火工藝對板材顯微組織與摩擦特性的影響，從而為鋼帶生產(chǎn)過程中退火工藝的調(diào)整和用戶沖壓工藝的優(yōu)化提供指導(dǎo)。

 

1、試驗材料

 

      選取1.5mm厚DC03鋼為研究對象，采取兩種退火工藝進行退火處理，其中1號試樣退火溫度為790℃，斷后伸長率為0.9%，2 號試樣退火溫度為775℃，斷后伸長率為1.1%，退火工藝溫度控制曲線如圖1所示。平整工藝控制曲線如圖2所示。

 

2、試驗方法與結(jié)果

 

2.1 試驗方法

 

2.1.1 性能與顯微組織分析

 

     根據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，對比不同工藝下1號和2號試樣的力學(xué)性能，試樣標(biāo)距為80mm。采用激光共聚焦顯微鏡對兩種試樣截面的顯微組織進行觀察，分析退火工藝對顯微組織的影響。

 

2.1.2 摩擦特性分析

 

     利用粗糙度儀和三維光學(xué)表面輪廓儀分別對兩個試樣表面特征進行分析，并通過平板摩擦試驗對比兩個試樣的摩擦系數(shù)，摩擦試樣尺寸為500mm×50mm（長度×寬度），初始摩擦正壓力選取3000N，以每1000N為一個梯度逐漸遞增，直至試樣表面出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象。

 

2.2 試驗結(jié)果

 

2.2.1 退火溫度對力學(xué)性能及微觀組織的影響

 

     兩個試樣的力學(xué)性能測試結(jié)果如表1所示。由表1可知：兩種退火工藝下的材料性能比較接近，1號試樣的屈服強度與抗拉強度低于2號試樣，斷后伸長率較2號試樣略高1.5%。即退火溫度升高（由775℃升高至790℃）后，板材的屈服強度與抗拉強度出現(xiàn)小幅下降。

     兩個試樣的顯微組織形貌如圖3所示。由圖3可知：沿垂直于截面方向，1 號試樣中部和邊部晶粒尺寸比較均勻，均為等軸晶粒，晶粒度為9.0級；2 號試樣中部組織均勻，晶粒度為9.0級，與中部相比，截面表層區(qū)域存在非等軸細小晶粒，晶粒尺寸均勻性差，晶粒度為10級（見表2）。

     IF鋼基體組織主要為鐵素體，退火溫度對鋼板晶粒組織的均勻性和晶粒尺寸有顯著影響，決定鋼產(chǎn)品最終的力學(xué)性能。1號試樣退火溫度為790℃，試樣中部和邊部組織比較均勻，晶粒度為9級。2號試樣實際退火溫度較1號試樣低10~15℃，試樣中部晶粒尺寸均勻，晶粒度為9級，但試樣表層存在不等軸細小晶粒，且晶粒均勻性差。細小且不均勻的晶粒導(dǎo)致晶界密度增大，在變形時，晶界對位錯運動的阻礙等作用使得材料的強度提高。根據(jù)研究可知，IF鋼中的固溶碳原子含量較少，退火后心部溫度高于表層溫度，晶界遷移的阻力較小，因此在退火后期心部晶粒會繼續(xù)長大。當(dāng)IF 鋼板較厚時（試驗鋼厚度為1.5mm），在冷卻過程中，鋼帶表層散熱快，更易導(dǎo)致鋼板心部晶粒大于表層晶粒。退火溫度偏低是造成試樣中部和邊部晶粒不均勻的主要原因。

 

2.2.2 摩擦特性影響分析

 

     表面摩擦性能直接影響沖壓質(zhì)量，摩擦因數(shù)是材料流動阻力的直接體現(xiàn)。鋼板表面粗糙度是影響摩擦磨損的關(guān)鍵參數(shù)，表面粗糙度越大，摩擦副之間的摩擦因數(shù)及磨損量就越大，鋼板的流動性差，即使材料的力學(xué)性能好，成形時仍會出現(xiàn)因材料流入不足或咬?，F(xiàn)象引起的沖壓開裂現(xiàn)象。鋼板表面粗糙度與平整輥自身粗糙度以及平整壓下率有關(guān)。

 

     兩個試樣的三維形貌及三維輪廓曲線如圖4所示。由圖4可知：兩種平整工藝下試樣表面微觀形貌基本一致。

     為進一步研究兩種工藝下板材摩擦特性的差異，開展平板摩擦試驗。不同壓力下摩擦因數(shù)變化曲線如圖5所示。由圖5可知：當(dāng)正壓力為3000N和4000N時，1號和2號試樣表面未出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象，兩者的摩擦因數(shù)基本接近，2號試樣的摩擦因數(shù)略低于1號試樣；當(dāng)正壓力增大到5000N以上時，1號和2號試樣表面摩擦因數(shù)急劇增大，且2號試樣增幅更為明顯，說明在此壓力下成形時，2號試樣的流動阻力大于1號材料。

 

 

      在板料成形過程中，模具與材料表面之間存在機械的相對運動和塑性流動，因此不可避免地存在摩擦，摩擦特性是影響材料成形性能的重要因素之一?；陴ぶ碚摲治?，摩擦阻力主要與模具和板材直接接觸面積、基板表面顯微硬度相關(guān)。凹凸不平的金屬表面相互接觸并受到法向力的作用，真實接觸的微凸曲面受到較大的接觸應(yīng)力，當(dāng)超過材料的屈服極限時就會發(fā)生塑性變形，此時載荷和真實接觸面積的關(guān)系如式（1）所示。

 

 

      模具與板料在載荷下發(fā)生接觸黏結(jié)，并在切向力的作用下發(fā)生相對滑動，黏結(jié)不斷被剪斷。在較硬金屬與較軟金屬相互摩擦?xí)r，較硬金屬凸起可能切割較軟金屬，使較軟的金屬表面產(chǎn)生犁溝缺陷，這種犁切效應(yīng)使摩擦力增加了一項Fe，可由式（2）表示。摩擦過程就是黏結(jié)與剪切交互進行的過程，若金屬黏結(jié)點剪切應(yīng)力為τb，此時的摩擦力Ff可由式（3）表示。

 

 

     當(dāng)接觸壓力為3000N和4000N時，試樣表面未出現(xiàn)拉毛現(xiàn)象，此時的摩擦力主要為Arτb項，F(xiàn)e只為全部摩擦力的百分之幾，可以忽略不計。當(dāng)正壓力增大到5000N以上時，試樣表面出現(xiàn)拉毛劃傷現(xiàn)象，Aeτb′項不斷增加，犁溝拉毛越嚴(yán)重，摩擦力越大。

 

     根據(jù)經(jīng)驗公式，塑性材料剪切應(yīng)力極限約為抗拉極限的60%~80%，板材強度越高，剪切應(yīng)力越大。金屬材料硬度與強度之間具有近似的對應(yīng)關(guān)系，因為硬度是由起始塑性變形抗力和繼續(xù)塑性變形抗力決定的，材料的強度越高，塑性變形抗力越大，硬度也就越高。

 

     兩個試樣沿垂直于截面方向的顯微硬度分布曲線如圖6所示。由圖6可知：2號試樣顯微硬度高于1號試樣，且上下表層硬度高于中部；而較低退火溫度下，表層晶粒細小和晶粒不均是造成板材硬度升高的主要原因。由此可知，對1號試樣和2號試樣在較大壓力下進行沖壓，當(dāng)板料表面存在拉毛現(xiàn)象時，2號試樣較高的表面硬度增大了材料的流動阻力，其成形能力隨之下降。

     平整是為了滿足鋼帶各項性能指標(biāo)而在帶鋼出口處設(shè)置的軋制工藝。斷后伸長率低會使柯氏氣團不能被有效消除，屈服強度偏高；斷后伸長率過大會導(dǎo)致材料發(fā)生冷加工硬化，也會造成屈服強度偏高。將1號試樣平整斷后伸長率控制在0.8%~1%，而2號試樣實際平整斷后伸長率為1.1%~1.2%，平整斷后伸長率的增大使得試樣表層晶粒變形區(qū)域增大，導(dǎo)致表層和心部的晶粒度差值增大。晶粒越細小，塑性變形擴展受到晶界的阻礙作用越大，鋼帶強度越高；同時，試樣表層的位錯和晶界增加，晶界阻擋位錯的移動，晶界越多，對位錯移動的阻礙就越大，材料變形的阻力就越大，從而使得表層硬度高于心部。

 

     綜上所述，2號試樣退火溫度略低，平整斷后伸長率大，從而導(dǎo)致板材表層晶粒尺寸不均勻。細小、不均勻的晶粒使得材料表面硬度高于心部。當(dāng)模具拉延筋、凹模圓角受到磨損后，在成形過程中鋼帶表面產(chǎn)生犁溝切削拉毛。較高的表面硬度增大了材料的流動阻力，從而造成零件沖壓開裂。增大板料與模具間的潤滑作用，對凹模圓角與拉延筋進行拋光處理，增加開裂區(qū)域模具間隙均有利于減小板料拉毛現(xiàn)象，降低材料流動阻力。

 

3、 結(jié)語

 

    （1）IF鋼中的固溶碳原子含量較少，退火后心部溫度高于表層溫度，晶界遷移的阻力較小，退火后期心部晶粒會繼續(xù)長大；當(dāng)IF鋼板厚度較大時，退火溫度偏低會造成鋼帶表層散熱快，表層晶粒尺寸小于心部。

 

   （2）較大的平整斷后伸長率使鋼板表層發(fā)生塑性變形，表層晶粒被拉長并變得細小，位錯和晶界增多，材料表層硬度升高。

 

   （3）成形過程中，在較大壓應(yīng)力作用下，模具磨損造成材料表面損傷拉毛，較高的表層硬度使得材料表面金屬遷移更加困難，進一步增大了材料流動時的阻力，沖壓成形能力下降。

 

作者：李亞東，鄂宏偉，劉煜，鄭學(xué)斌，王寶川，金磊

 

單位：首鋼集團有限公司 技術(shù)研究院

 

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第10期