熱沖壓鋼板的成形依賴于模具鋼，目前應用較廣泛的熱沖壓用模具鋼有DIEVAR、H13、CR7V、HTCS系列、SDCM系列[3]等。盡管熱沖壓用模具鋼隨著汽車高強度板的應用有了長足的發展，但仍存在模具零件拉毛磨損、開裂的問題，尤其是拉毛磨損，所有的熱沖壓模具鋼都存在此問題，模具鋼的拉毛磨損造成零部件表面出現劃痕，輕微劃痕在后期噴漆工藝可消除，但嚴重的劃痕需要對零部件進行打磨處理加以消除，產生額外成本，解決模具零件拉毛磨損是目前工程和科研人員共同努力的方向。
解決模具零件拉毛磨損首先要認識模具鋼拉毛磨損行為，國內外學者對此都開展了大量研究，對摩擦磨損機理有了深刻認識。以下對熱沖壓模具鋼拉毛磨損行為進行綜述，分析粘著磨損和磨粒磨損機理，對拉毛磨損研究中存在的問題提出見解，并對解決拉毛磨損的研究方向進行展望。
對金屬之間的摩擦行為有較系統性研究的文獻《固體的摩擦與潤滑》中指出了軟、硬金屬摩擦時，硬金屬表面微觀凸起對軟金屬有犁削作用，軟金屬粘附在硬金屬上形成結點，結點的形成與“冷熔焊”有關，而金屬的磨損與結點強度和剪切應力有關，并對粘附磨損機理和磨粒磨損機理進行探討，目前關于熱沖壓成形的摩擦磨損研究都是建立在這2種機理的基礎上。
從試驗的角度研究熱沖壓成形的摩擦磨損，按照所采用的設備和摩擦副可分為2類：一是直線拉伸摩擦試驗；二是旋轉/往復摩擦試驗。目前大部分熱沖壓摩擦磨損研究都是采用這2類試驗設備。
01
直線拉伸摩擦研究
圖1 直線拉伸摩擦試驗設備
將待沖壓鋼板加工成一定尺寸的條料，試驗設備及摩擦示意圖如圖1所示，將熱沖壓模具鋼加工成一對摩擦單元，鋼板加熱后輸送到摩擦單元中，摩擦單元施加一定壓力，然后鋼板右端夾緊，在一定速度下拉動鋼板，由此鋼板與摩擦單元產生摩擦，通過分析摩擦單元上殘留物質成分、物相、形貌等研究摩擦磨損行為。
涂層鋼板的熱沖壓磨損其實是涂層和模具鋼摩擦，涂層在摩擦行為中起重要作用。JVENEMA等研究了Al-Si涂層淬火鋼熱沖壓過程的摩擦磨損機理，Al-Si涂層的Al、Si與鋼基體互相擴散形成金屬間化合物，在鋼基體表面形成厚度約40μm的多層結構，在熱負荷和機械負荷作用下，涂層在加熱和成形過程中會破裂，產生破碎顆粒，這些顆粒會粘附在摩擦單元上產生磨粒磨損。
（a）SEM照片
（b）能譜分析
圖2 鋼帶滑過磨擦單元后表面掃描電鏡觀察和嵌入顆粒的能譜分析
如圖2所示，通過掃描電鏡和EDS分析可知鋼帶滑過摩擦單元后，表面會粘附有摩擦單元的材料，也有涂層形成的碎屑顆粒。TIANXW等研究了熱沖壓工藝對高強度鋼的摩擦行為，在加熱溫度500℃和拉伸速度50mm/s時，摩擦系數與室溫下的摩擦系數基本相同，磨損機理主要是溝槽切削。當拉伸速度為50mm/s時，出現大量粘著磨損的臨界溫度為600℃，此時摩擦系數開始增加。在較低的拉伸速度下測得的摩擦系數比較高拉伸速度下測得的摩擦系數高，在25mm/s時，主要磨損機理是粘著磨損，而在75mm/s時，磨損表面只存在輕微的溝槽。AAZUSHIMA等研究了鋁涂層22MnB5在干燥和潤滑條件下熱沖壓的摩擦行為，指出摩擦單元表面的粗糙度對磨擦系數影響不大，通過成分和表面輪廓分析，得出摩擦單元和鋼板之間的摩擦涉及在粘附的鋁層和涂覆的鋁層之間滑動。JKON?DRATIUK等研究Zn-Ni/Al-Si涂層鋼板的摩擦行為，研究表明Zn-Ni涂層鋼板摩擦時，摩擦單元的質量傳遞和持久性材料積聚顯著降低，而源自Al-Si涂層鋼板的摩擦單元上的轉移材料處于金屬狀態，意味著粘附磨損特性，由于在Zn-Ni涂覆的鋼板上形成氧化鋅層，減少了摩擦單元上涂層材料的純金屬堆積，ZnO的形成有利于降低摩擦系數和涂層金屬堆積。而在Zn涂層高強板的熱沖壓過程中，PEL?CASTREL等進行了相關研究，認為摩擦磨損行為與Zn涂層相有關，在低溫（400℃）和高接觸壓力（30MPa）狀態時，摩擦系數不穩定，在高溫（600℃）時摩擦系數較低且穩定，而摩擦系數的變化是加熱不同溫度時涂層的組成不同，主要是ZnO層、富Zn相、Fe-Zn相的含量不同，低溫時ZnO相少，高溫時Zn-Fe相多。
02
旋轉/往復摩擦
圖3 旋轉/往復摩擦試驗的各類摩擦副
常見的試驗設備是將模具鋼加工成銷釘，鋼板加工成圓盤旋轉或平板往復摩擦，以圓盤旋轉為例，電機驅動圓盤以一定速度旋轉，并通過加熱裝置使其在一定溫度下運行，在銷釘上施加壓應力接觸圓盤摩擦，也有其他類型的摩擦副，如圖3所示。
溫度對摩擦力的影響方面，HARDELLJA?等進行了相關研究，研究Al-Si涂層高強度鋼在高溫下的摩擦磨損行為時，使用銷釘式高溫摩擦磨損試驗機，在室溫、400、800℃下開展試驗得出摩擦力隨溫度升高而減小，模具鋼的磨損隨溫度升高而增大。在鋼板涂層對摩擦的影響方面，AGHIOTTI等研究了Zn基涂層直接熱沖壓的摩擦學性能，與標準Al-Si涂層相比，滑動速度越高，Zn基涂層顯示的摩擦程度越低。模具零件的表面磨損是由于粘合和磨損現象的結合，與標準Al-Si涂層相比，沒有顯著差異。PELCASTRE等研究了不同摩擦單元涂層與Al-Si涂層高強度鋼板的摩擦磨損機理，AlCrN、TiN和DLC等PVD涂層的鋼板都顯示嚴重的材料轉移，可能是PVD涂層和Al-Si涂層都含有Al元素，具有相同成分的材料接觸的化學親和力高，且高溫下鋁原子具有高的遷移率，導致在摩擦單元上存在微焊或相互擴散；在等離子體氮化的摩擦單元表面出現釉層，釉層減少摩擦單元的磨損，而后氧化處理的等離子體氮化摩擦單元，釉層更厚，減磨效果更好。J JERINA等的研究表明在室溫下，TiAlN涂層的模具鋼有最低的摩擦系數和最小的材料轉移量，在較高溫度下，CrN和TiAlN涂層顯示出相似的摩擦系數和轉移的鋁合金量。
上海大學模具鋼課題組在2009年前后開發出了高性能熱作模具鋼專利產品，并開始系統性研究模具鋼的摩擦磨損機理，開發的新型熱沖壓模具鋼SDCM系列，采用降低Si、Cr，增加C、V元素的成分體系，在保證高熱導率的同時，提高淬火回火硬度與碳化物含量來提高其耐磨性。研究了模具鋼高溫表面摩擦磨損，得出高溫氧化層的演變機制不是高溫裂紋萌生、生長和磨屑脫落機制，而是在氧化層表層以小尺寸的氧化物顆粒形式剝落，相當于作為“潤滑劑”表現出了低磨損率。
這2類研究方式多采用不同的摩擦單元，研究粘附在摩擦單元上的物質，觀察表面形貌等來分析摩擦磨損行為，研究溫度、壓力、表面粗糙度、涂層等對摩擦力、磨損系數、表面物相等的影響，并試圖解釋摩擦磨損機理。
03
公認的摩擦磨損機理
無論拉伸摩擦還是旋轉/往復摩擦試驗，多數研究結果表明粘附和磨粒磨損機理是公認的摩擦磨損機理。
圖4 粘附磨損
（1）粘附磨損：即使光滑的金屬表面在微觀下也凹凸不平，存在波峰與波谷。鋼板與模具鋼表面摩擦時，最先接觸表面的波峰，高溫狀態的鋼板硬度遠小于模具鋼，模具鋼波峰處會粘附部分鋼板材料，多次摩擦造成鋼板磨損，而粘附的磨屑也會損傷模具鋼。圖4所示為粘附機理示意圖，在模具鋼表面波峰處形成粘附鋼板材料的累積。
圖5 磨粒磨損
（2）磨粒磨損：從波峰處剝離的摩擦碎屑或嵌入摩擦單元的碎屑顆粒，在摩擦時對鋼板產生犁削作用，嚴重磨損鋼板，嵌入的碎屑對模具鋼造成損害。圖5所示為磨粒磨損示意圖，嵌入模具鋼凹陷處的碎屑顆粒積聚形成凸起，犁削鋼板。
