根據對熱沖壓過程摩擦行為的分析，熱沖壓過程的摩擦磨損行為基本清晰，從熱沖壓鋼板的角度看，零件表面出現拉毛磨損其實是材料轉移的過程，按照被沖壓的鋼板是否有涂層，摩擦磨損過程分2類描述。
裸板與模具零件的熱沖壓過程摩擦磨損行為步驟：①加熱到紅熱狀態的鋼板，其新鮮表面接觸模具零件棱邊，在較大作用力下產生滑動摩擦；②凹凸不平的鋼板表面在滑動摩擦時，凸起的材料被模具零件棱邊刮擦，鋼板碎屑粘附在模具零件棱邊處；③粘附在模具零件棱邊的鋼板材料，在下一次沖壓時，劃傷零件表面或是粘附材料脫落，形成磨粒損傷零件表面；④隨著沖壓過程的進行，粘附的碎屑可能被擠進模具成形區，與模具零件結合緊密，形成了結點，結點主要是沖壓鋼板的碎屑，其成分與鋼板一致，模具零件棱邊形成結點，結點刮擦鋼板更深入，將嚴重劃傷零件表面。
圖6 制件表面拉毛磨損
在沖壓現場觀察這類模具零件棱邊狀態沖壓鋼板后，制件表面拉毛磨損情況如圖6所示，制件深沖側壁部位出現亮白色的劃痕，這是模具零件棱邊形成的結點與制件摩擦造成的，劃痕較深，鋼板顯露出金屬光澤，這種劃痕在生產上不允許出現。
（a）拉毛磨損后模具零件棱邊產生材料堆積
（b）涂層板制件嚴重拉毛磨損
圖7 涂層板與模具零件棱邊拉毛磨損
涂層板的熱沖壓摩擦磨損行為步驟：①加熱到紅熱狀態的鋼板，涂層（Al-Si或者Al-Zn等）與鋼板之間發生原子擴散，在涂層與基體之間有過渡層，涂層板在模具零件棱邊滑動摩擦，其實是涂層與模具零件棱邊摩擦；②涂層與鋼板的粘附能力弱且加熱的涂層剪切強度不高，涂層材料被刮擦轉移到模具零件棱邊；③模具零件棱邊的涂層材料迅速冷卻粘附在棱邊，如圖7（a）所示，方框內為累積在棱邊的涂層材料；④模具零件棱邊累積的涂層材料在下一次沖壓時，與涂層板涂層滑動摩擦，涂層板涂層材料被刮擦，破壞涂層造成制件表面拉毛磨損，如圖7（b）所示，方框中白亮色為摩擦后涂層脫落露出鋼板基體。涂層板與模具零件棱邊的沖壓滑動摩擦，在棱邊形成的材料轉移開始呈粉末狀，然后壓緊壓實，通過砂紙打磨可以去除，一般不會損壞模具。
涂層在熱沖壓時會有材料的轉移，在上述2類摩擦磨損試驗中得到了證明。在高溫下鋼板表面的涂層會與基體發生互相擴散，在涂層與基體之間形成擴散過渡層，熱沖壓過程中模具鋼表面與鋼板涂層互相摩擦，在粘附和磨粒磨損機理下，涂層或多或少會轉移到模具鋼表面，累積形成結點，在沖壓力和“冷焊效應”的作用下，結點與模具鋼形成冶金結合，而目前的摩擦磨損研究對此方面關注較少。
沒有涂層的裸板熱沖壓是鋼板表面對模具鋼表面的摩擦，沒有涂層脫落，摩擦碎屑在模具零件表面累積，裸板的表面硬度在高溫下低于模具鋼，粘附磨損和磨粒磨損機理依然適用，且2個摩擦面都有相同的Fe元素。根據“冷焊效應”原理，除了原子熱擴散形成結點外，相同原子配對機制會加速結點的冶金結合。在熱沖壓環境下，這方面的研究也相對較少，這是解決模具鋼表面拉毛磨損的關鍵問題。
在摩擦學中認為摩擦系數與接觸面積無關，而與加載壓應力有關，在熱沖壓方面，摩擦單元表面粗糙度在0.05~0.5μm，AAZUSHIMA等的研究證明表面粗糙度與摩擦系數無關，研究摩擦磨損更應該關注加載應力，尤其是模具零件棱邊受力情況。
（a）模具零件棱邊凸起
（b）模具零件棱邊凹坑
圖8 實際沖模零件棱邊被磨平的結點和凹坑
綜上所述，要解決模具鋼表面拉毛磨損首先要弄清模具鋼表面的摩擦磨損行為，有3個問題待研究，分別是結點的材料累積行為、結點材料與模具鋼結合行為以及結點厚度與臨界剝離應力關系。結點的材料累計行為可根據目前摩擦磨損機理解釋，但加載應力并不能反映微觀凸起的接觸應力，且在高溫下由于體積效應，微觀凸起的塑性與基體不同，不能按照基體的塑性行為推測微觀凸起的變形能力，此外還需研究表面凹陷處材料的積聚行為；結點材料與模具鋼結合行為可用“冷焊效應”解釋原子擴散的冶金結合，但結點的形成是原子擴散和加載應力共同作用的結果，受力情況對結合行為的影響還有待研究；結點厚度與臨界剝離應力研究目前還未見到報道，累積在模具鋼表面的結點，在實際工況下并不是越來越厚，而是被磨平，如圖8（a）所示，實際沖壓后，模具鋼棱邊結點被磨平，結點的厚度與加載應力有關，而結點與基體的結合強度決定臨界剝離應力大小，如圖8（b）所示，模具鋼棱邊出現凹坑是結點所受剝離應力大于結合強度造成的。
（1）開發更能準確模擬實際工況的試驗設備。在實驗室研究熱沖壓模具鋼的摩擦磨損，試驗設備需要準確模擬實際的沖壓過程，目前所采用的高溫摩擦磨損試驗機，無論銷釘式或新開發的鋼帶與摩擦單元的摩擦，并不能較好地模擬真實的熱沖壓環境，主要原因有：①試驗設備的沖壓力太小，常見載荷不超過1000kN，而實際熱沖壓設備沖壓力一般是8000kN，也沒有考慮在模具零件棱角處承受更大的沖壓力；②模具零件與鋼板之間存在冷焊現象，粘附或嵌入的顆粒與模具零件發生原子擴散形成結點，沒有考慮結點對模具零件的影響；③在沖壓的瞬間，模具棱邊使鋼板發生微量塑形流動，尤其是模具零件與鋼板間隙是負公差時，鋼板材料塑形流動更加明顯。因此，解釋熱沖壓模具零件拉毛磨損行為首先要開發盡可能模擬實際工況的試驗設備，在此基礎上研究熱沖壓摩擦磨損過程。
（2）磨損機理的理論創新。粘附磨損機理和磨粒磨損機理是目前公認的兩大磨損機理，但這2個機理更多是從鋼板磨損的角度考慮，還不能清楚地解釋模具零件的摩擦磨損，就模具鋼的磨損而言，除了粘附、磨粒外，還需考慮“冷焊效應”、加載應力和碎屑積聚行為等問題。模具鋼拉毛磨損是多因素長時間共同作用造成的，如何將應力、原子擴散、結點結合強度等因素結合起來，創新現有理論，總結出能明確解釋模具零件表面拉毛磨損的機理是目前研究的方向之一。
▍原文作者：蔣斌，吳曉春
▍作者單位：上海大學材料科學與工程學院
