熱沖壓鋼板氧化行為對傳熱動力學性能的影響

常 穎，李 燁，盈 亮，盧金棟，唐行輝，郭 威

（1.大連理工大學 工業(yè)裝備結構分析國家重點實驗室，遼寧 大連 116024；2.大連理工大學 汽車工程學院，遼寧 大連 116024；3.吉林大學 材料科學與工程學院，長春 130022）

0 引 言

為應對汽車節(jié)能、安全與環(huán)保的發(fā)展趨勢，高強度鋼板在車身制造中的應用受到廣泛關注。但是隨著強度的提高，其在室溫下的成形性能降低［1］。熱沖壓技術是解決上述問題的有效方法，可制備成形強度在1500MPa以上的沖壓件。熱沖壓過程中板料表面不可避免地將發(fā)生氧化脫碳行為，板材氧化減薄明顯降低了其強度，由于熱量在板料與模具之間傳遞，氧化層影響到了板料與模具表面的接觸換熱性能，從而影響零件質量的穩(wěn)定性。目前國內(nèi)外學者對防止鋼板氧化脫碳主要從涂層和氣體保護兩方面入手［2－3］，一方面由于工藝復雜、成本昂貴限制了諸如Al－Si涂層鋼板的普遍應用；另一方面，實際氧化過程無論是覆蓋涂層還是引入氣氛保護都不會杜絕氧化行為的發(fā)生，因此，研究氧化行為對實際熱沖壓過程的傳熱性能影響規(guī)律具有較大實際意義。

目前，相關學者針對熱沖壓過程中接觸換熱進行了一些研究［3－4］，邢磊等基于瞬態(tài)問題利用反傳熱算法，研究了TP2銅與3Cr2W8V模具鋼之間的換熱過程［5］；Merklein研究了有微小間隙時，熱成形中的接觸換熱［6］；Hojaefard基于穩(wěn)態(tài)實驗研究了不銹鋼和鋁之間的換熱情況［7］。但這些研究中并未考慮熱成形過程板料表面的實際氧化層影響，而氧化程度對淬火中換熱性能的影響不能忽視。

本文基于不同保溫時間下熱沖壓鋼板高溫氧化脫碳行為規(guī)律進行了研究。利用靜態(tài)失重法和金相測定法測定鋼板在900℃條件下的高溫氧化行為，建立保溫時間與氧化失重、減薄尺寸的回歸方程，并通過實驗驗證所得規(guī)律的正確性；根據(jù)實際氧化層形成規(guī)律，利用有限元仿真方法研究了氧化脫碳層對板料和模具之間接觸換熱關系的影響，獲得氧化脫碳層厚度及接觸壓強對熱沖壓接觸換熱系數(shù)規(guī)律并加以分析。

1 實驗方法

1.1 實驗設計

選用寶鋼生產(chǎn)的熱沖壓22MnB5鋼板進行測定分析，牌號B1500HS，試樣厚度1.6mm，化學成分（質量分數(shù)）如表1所示。

表1 試驗用鋼化學成分的質量分數(shù)測試值（余量為Fe）Table 1 Chemical composition of the steels investigated %

依據(jù)《HB5258－2000鋼及高溫合金的抗氧化性測定試驗方法》，將試驗材料加工成20mm×10mm×1.6mm規(guī)格試樣，經(jīng)砂紙打磨、酒精清洗后，烘干備用。鋼板在900℃條件下利用靜態(tài)失重法進行氧化實驗；依據(jù)《GB／T 224－2008鋼的脫碳層深度測定法》，利用金相測定脫碳層深度。圖1所示為氧化脫碳層影響下熱沖壓接觸換熱系數(shù)測量裝置及原理圖。壓機最大工作壓力為400kN。上、下模直徑均為75mm，材料為典型熱作模具鋼材料H13。自適應平衡底座可實現(xiàn)自動調(diào)整模具，使得上、下模面完全平行。溫度采集裝置為MX100，采樣頻率為100Hz。

圖1 熱沖壓接觸換熱系數(shù)測量裝置Fig.1 Experimental setup of IHTC in hot stamping process

1.2 氧化脫碳機理及傳熱動力學模型

一般在850℃以上，鋼的氧化和脫碳同時發(fā)生，當鋼表面氧化速度大于碳原子從內(nèi)部向表面擴散的速度時發(fā)生氧化，反之發(fā)生脫碳［5］。實際生產(chǎn)中，并不嚴格區(qū)分氧化和脫碳層，實際測定的氧化層厚度包含了氧化層和脫碳層的平均厚度。在金相顯微鏡下觀察氧化脫碳層形態(tài)，如圖2所示。圖2（a）中，左邊黑色部分為鑲嵌樹脂，中間灰色部分是氧化脫碳層，右邊光亮部分是試樣基體。從圖2（b）的SEM可以看出，脫碳層由于碳原子的缺失，含碳量相對較低，剩余的鐵原子質地疏松，排列比較規(guī)律，其在力學性能上表現(xiàn)為強度、硬度與基體相比基體較低。試樣表面氧化層的組成物相主要是Fe、Fe2O3以及Fe3O4，其中主要為Fe2O3，只有少量的Fe3O4。

根據(jù)Slowik［8］的研究，氧化脫碳層的熱導率為3W／（m·K），遠小于板料和模具的換熱系數(shù)（45～52W／（m·K）），所以接觸換熱的影響不能被忽視。具有氧化層的板料在實際生產(chǎn)中與模具接觸表面的狀態(tài)如圖3所示。圖3（a）所示為板料與模具接觸后，氧化層被夾在中間。板料與模具間熱流阻礙由兩方面原因造成:①與板料和模具相比，氧化層的熱導率很低。②氧化層與模具表面不是完全接觸——氧化層是由板料母材氧化生成，并未與母材分離，而是貼合緊密，可看做連續(xù)體（如圖3（b））。但氧化層與空氣接觸的一面在微觀尺度上是粗糙不平的，與模具表面不能達到完全接觸（如圖3（c）），這就導致了接觸熱阻的產(chǎn)生。

圖2 熱沖壓鋼板氧化脫碳層形態(tài)Fig.2 Oxidation ＆decarburization layer morphology of hot stamping blank

圖3 氧化層對熱沖壓界面?zhèn)鳠崽卣饔绊懛治鯢ig.3 The effect of the oxidized layer on heat transfer feature between the interface

Wendelstorf［9］提出了等效換熱系數(shù)αeff的概念，將其引入考慮氧化層的熱成形過程中可定義為

式中:q為板料和模具間的熱流密度；TB和TD分別為板料和模具表面的溫度。

氧化層和模具接觸表面之間的熱流密度qS與它們之間的換熱系數(shù)αΔTS相關，可定義為

式中:TS為氧化皮表面的溫度。由于氧化層很薄，可以假定qS＝q。αeff和αΔTS之間的換算關系為

式中:dOS為氧化層厚度；λOS為氧化層的換熱系數(shù)。

所有氧化層對界面換熱的影響都包含在等效接觸換熱系數(shù)αeff中，并且通過板料和模具表面的溫度就可以計算得到。氧化層是等效接觸換熱系數(shù)的一個重要的影響因素，氧化層越厚，等效接觸換熱系數(shù)越小。

2 結果與討論

2.1 氧化行為回歸方程的建立與分析

為獲得熱沖壓鋼板在高溫情況下氧化行為的規(guī)律，研究了B1500HS鋼板厚度減薄、脫碳層深度與保溫時間的關系，如圖4所示。圖中通過引入氧化速率特征值（K）常數(shù)表征B1500HS鋼板氧化脫碳層減薄程度大小，分別用K11和K12表征兩段的斜率。

圖4 B1500HS鋼板的氧化動力學曲線Fig.4 Oxidation dynamical curve of B1500HS steels

從圖4可以看出，B1500HS高溫氧化行為遵循拋物線規(guī)律。根據(jù)實際測定0～10min不同保溫時間下基于氧化層厚度后減薄及失重的B1500HS鋼板氧化規(guī)律曲線可表征為

式中:ΔZ為氧化減薄厚度；ΔW 為氧化減重；t為保溫時間。

試驗中測得B1500HS的氧化減薄厚度最高達到99.33μm，質量減少最高可達240.55mg（保溫10min時），占總質量的9.98%，其對應的單位面積氧化失重（Δm＝ΔW／S，其中S為試樣表面積）為0.471mg／mm2；在保溫最初階段，板料表面具備較高的氧化速率。隨著時間的推移，已生成的氧化層阻礙了氧氣和板料的接觸。當保溫時間介于4～5min時，氧化行為動力學曲線發(fā)生了轉折，氧化速率明顯減緩。其中:

可知保溫時間0～10min內(nèi)，隨著時間的延長氧化減薄尺寸與脫碳層深度逐漸增加；保溫5min后，兩者趨于穩(wěn)定。K11＞K12，氧化脫碳層厚度初期增長速率較快，達到19.76μm／min，在4～5 min階段增速趨于平緩，當大于5min后，氧化機制發(fā)生變化:由表面生成反應控制轉變成由擴散反應控制［10］，并趨于穩(wěn)定。增長速率約為1.75 μm／min。B1500HS鋼板最大減薄為99.3μm，占總厚度的6.14%；脫碳層最大深度為87.0 μm，占總厚度的5.44%。對試驗獲得的B1500HS鋼板氧化失重（ΔW，mg）與減薄量（ΔZ，mm）進行回歸分析，結果顯示二次項顯著，擬合公式見表2。

表2 B1500HS熱沖壓鋼板氧化規(guī)律回歸方程Table 2 Oxidation law regression equations of B1500HS hot stamping steel

為了評價試驗結果的可靠性以及數(shù)學模型的可信程度，對回歸方程進行了顯著性檢驗［11］，見表3。

由表3方差分析（ANOVA）可知:F ＝77.661，P ＝ 0.000 ＜ 0.01（氧化失重）；F ＝104.974，P ＝ 0.000 ＜ 0.01 （減?。?，硼鋼B1500HS的氧化失重與減薄尺寸回歸方程極顯著。復相關系數(shù)分別為0.951和0.963，表明擬合值與試驗值之間具有極高的相關性，試驗誤差小。加熱溫度900℃，保溫0～10min，保壓15s，對回歸方程進行驗證，可以看出試驗值與回歸方程擬合程度良好，試驗誤差小，因此回歸方程是準確的，可以使用該模型進行樣件氧化情況預測和對傳熱動力學影響分析。

表3 B1500HS回歸方程的方差分析Table 3 ANOVA of Regression equation of B1500HS

2.2 載荷和氧化層對換熱系數(shù)的影響

為研究界面載荷和氧化脫碳對熱沖壓傳熱動力學的影響規(guī)律，試驗設計了5種不同載荷（8，16，25，34和42MPa），涵蓋了實際生產(chǎn)中載荷所能達到的范圍。同時，引入界面接觸換熱系數(shù)（IHTC特征參數(shù)）描述實際換熱能力的大小。接觸換熱系數(shù)受材料熱物性、機械特性、表面性質、負載、溫度等多因素影響。Holman［12］在其著作中提到了兩個首要的因素:其一是固－固非理想光滑界面上微突體之間的傳熱；其二為界面內(nèi)包嵌的氣體中的傳熱。氧化脫碳層對淬火傳熱的影響即為首要因素，其實質是影響到板料與模具接觸表面的狀態(tài)，并進而形成界面內(nèi)包氣隙，從而降低了界面接觸換熱系數(shù)。然后，隨著沖壓過程中載荷的增大，使得真實接觸面積變大，引發(fā)接觸熱阻降低，可一定程度下改善接觸表面接觸狀況，以獲得較大的界面換熱系數(shù)。因此，根據(jù)氧化脫碳層厚度回歸方程，將氧化行為對傳熱動力學影響模型引入到接觸換熱系數(shù)的反求計算中，基于優(yōu)化方法和有限單元法（FEM）采用商用軟件ABAQUS完成，完整的計算流程圖如圖5所示。

等效接觸換熱系數(shù)被設為變量，通過實驗測得的板料和模面的溫度與相對應的FEM計算結果比較。每隔0.1s選擇相對應的實測數(shù)值與仿真值進行比對，執(zhí)行優(yōu)化循環(huán)直至收斂。流程圖中δB為板料實驗結果和FEM分析結果的誤差。和分別為板料的實測溫度和FEM分析溫度。δD中的參數(shù)為相對應的模具中的值。IHCP有限元反求模型如圖6所示。

圖5 接觸傳熱系數(shù)動力學分析流程圖Fig.5 Dynamic analysis flow chart of optimization IHTC

通過優(yōu)化數(shù)值反求算法獲得了硼鋼B1500HS與模具界面間在不同氧化脫碳層厚度情況下等效接觸換熱系數(shù)的關系。熱沖壓氧化脫碳層本身由非致密的多種氧化物混合而成，本身的熱導率很低。厚度增加起到更強的阻熱作用。實驗結果如圖7所示。由于保溫開始階段（0～5 min）板料的氧化速率較高。使得等效接觸換熱系數(shù)也呈現(xiàn)明顯降低特征，在80～100μm范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，而后繼續(xù)降低。B1500HS鋼板在保溫5min內(nèi)（氧化層厚度為0～100μm），其實際界面換熱系數(shù)應大于2500W／（m2·K）。隨著氧化情況的繼續(xù)發(fā)生，當厚度超過100μm后，界面換熱性能急劇降低，呈線性下降規(guī)律。降低幅度為1000～2500W／（m2·K）。

圖6 換熱系數(shù)IHCP反求有限元模型Fig.6 FEA model of heat transfer coefficient with IHCP reverse solve

圖7 氧化層厚度對平均接觸換熱系數(shù)的影響規(guī)律Fig.7 Effects of oxidation scale thickness on average value of IHTC

載荷是等效接觸換熱系數(shù)的另一重要影響因素，等效接觸換熱系數(shù)一般與載荷成冪律關系［13］，其機理是由于載荷的大小會直接影響接觸界面處相互接觸的兩微突體的變形程度。隨著載荷的增大，接觸面發(fā)生彈性變形的微突體數(shù)量逐漸增多，而發(fā)生塑性變形的微突體數(shù)量也在增多，微突體的變形程度增大，使得實際接觸面積也在增大，導致等效接觸換熱系數(shù)的增大。由圖8進一步看出:以2500W／（m2·K）為臨界指標，中低壓強情況（8～16MPa工況，保溫5min內(nèi)）由于氧化層的存在，無法保障優(yōu)良的界面換熱發(fā)生，壓強大于20MPa，可實現(xiàn)優(yōu)良換熱，保證熱沖壓鋼板的淬火性能發(fā)揮。

圖8 不同載荷氧化層厚度與平均接觸換熱系數(shù)的關系Fig.8 The relationship between the oxidation layer thickness and average HTC under different pressures

3 結 論

（1）熱沖壓過程保溫開始階段板料氧化速率較高，5min后明顯減緩。以B1500HS為例:加熱溫度900℃，保溫0～10min時，其氧化失重最高可達240.55mg，占總質量的9.98%；減薄尺寸最大為99.3μm，占總厚度的6.14%；脫碳層最大深度為87.0μm，占總厚度的5.44%。

（2）建立的熱沖壓鋼板B1500HS氧化失重和減薄尺寸的回歸方程，預測值與實測值擬合程度良好，回歸方程可靠。可為準確評測氧化行為對傳熱動力學性能影響及探究適用于熱沖壓生產(chǎn)的防氧化方法提供依據(jù)。

（3）氧化行為的發(fā)生對熱沖壓過程界面換熱性能有重要影響。等效接觸換熱系數(shù)與氧化層厚度的關系呈反比關系；B1500HS鋼板在保溫5 min內(nèi)（氧化層厚度介于0～100μm），其實際界面換熱系數(shù)大于2500W／（m2·K），實際熱沖壓生產(chǎn)應選定合適的載荷降低氧化影響，實現(xiàn)優(yōu)良換熱，保證鋼板的淬火性能。

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