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1、外文出处： A.Ghiotti,E.Simonetto,S.Bruschi.Wear,2019,4:348-356 1外文资料翻译译文（约3000汉字）：工艺参数对AA7075热冲压摩擦性能的影响A. Ghiotti, E. Simonetto, S. Bruschi=摘要:为评估材料热处理的影响及主要工艺参数，本文介绍了最近AA7075热冲压成形中起胶机理的实验和数值研究结果。通过在200-450进行拉丝实验，研究固态石墨在固溶和T6条件下的润滑特性，改变后的正常接触压力可达10Mpa，滑动速度可达50mm/s。结果表明，随着温度的升高，摩擦系数呈先减小后增大的趋势，在材料向模具转移的最高温
2、度下出现粘附现象。用微型有限元模型解释这一现象，表明粗糙度峰值附近的局部温度可能对材料强度产生局部影响，从而导致粘着磨损。关键词: 热冲压铝合金；AA7075；石墨；粘着磨损1.介绍在航空航天和汽车等运输行业的很多领域，对亮度和性能的不断需求，正促使设计师和制造商将注意力转向铝合金的使用，不仅限于铸造或锻造的散装部件，而且铝合金用于通过钣金成型工艺获得复杂形状的零件1。几个铝系列，即AA5xxx，AA6xxx和AA7xxx2，对于上述应用而言，目前具有很高的机械(高强度质量比)和化学性能(良好的耐腐蚀性和可焊接性)，但同时由于传统技术的原因，它们通常很难成型，承受高成型载荷，回弹并减少成型3-
3、5。随着高强度钢冲压技术领域的发展6,在铝板冲压中引入高温工艺路线已被证明在多种先进应用中很有希望，基本上可消除回弹现象并显著提高可成形性7。这些应用还表明，由于铝必须附着在模具上，因此摩擦和磨损可能成为关键。该过程的早期步骤，随之而来的是剧烈的磨损5。此外，除了传统的物理因素(如工具的几何形状和表面条件)外，高温过程中的摩擦和磨损还受到化学及过程有关方面的影响，如滑动速度，温度和接触压力7。对科学文献的调查表明，铝热冲压的摩擦学研究主要集中在工艺参数的影响上，如温度8，压力和滑动速度9，并分析不同润滑剂和润滑参数的组合以减少摩擦现象10-12。在AA2017上进行的球测试中，最高温度为450
4、13。材料转移归因于存在表面特征上的疏松铝屑的机械相互作用和压实，但没考虑到屑的形成。由于氧化物与铝颗粒的混合，高温下的其他氧化现象会使情况变糟，并增强铝合金的粘塑性流动14。相反，很少有人关注现象的现象学评估，该现象决定粘附的开始。在分析材料条件即热处理、微观结构等，可能对铝合金摩擦和磨损行为的影响的分析中，还可以找到其他不足，如Das等15。研究静态和动态时效对AA6082合金磨损和摩擦行为的影响，发现要形成的材料的冶金条件会影响磨损率，但是这项研究仅限于相对寒冷的条件，测试温度低于140，对热冲压条件来说仍然相去甚远。对于AA7xxx系列，研究仅限于与材料流动应力有关的方面16、冲压件的
5、力学性能17，但目前还没找到摩擦学方面的研究。本研究旨在探讨AA7075热冲压条件下，材料热处理对摩擦磨损和粘着磨损行为的影响。重点比较在不同工艺参数即正压、滑动速度和温度下，常见T6热处理条件与高温变形时的溶解态。本文分为三个部分：在简要介绍行业参考案例的基础上，对调查的材料对象进行描述。第二部分是实验室测试和实验的描述。最后，在数值模拟实验的基础上，对实验结果进行讨论。2.工业案例参考工业工艺的参考是AA7075铝合金子航空航天和汽车上的热冲压。不同的热冲压周期的例子可以在文献中找到18，主要的区别是在高温下(在电炉或煤气炉中超过480)保持坯料以获得合金元素的溶解(高达600s)的时间。
6、然后，在转移到冷模之后7,18，冲压步骤是使用冲压速度，从5mm/s到50mm/s来保持毛坯温度尽可能接近350-450。最后，工件保持15s以保证板材淬火。典型的应用压力范围为10-15Mpa，滑动速度范围为5-30mm/s19。最终，对零件进行时效处理，在120下时效24h得到T6状态20。在每个冲压周期中，板材都要使用特定的润滑剂进行热成形21，以减少由于模具磨损而产生的滑动助理和可能出现的缺陷。3.材料3.1 金属板商用铝合金AA7075在T6状态下以2.0(0.1)mm的厚度薄片提供。表1列出合金的标称化学成分和在交付条件下的力学特性。采用三维表面轮廓仪SensofarTM Plu
7、Nexo，测量金属板表面粗糙度Sa=0.60(0.10)m。图1为未润滑(z1区)和润滑状态(z2区)试样的形貌。 表1 AA7075的标称化学成分(wt%)和机械特性 图1 未润滑(区域1)和润滑(区域2)试样表面形貌 3.2 工具钢 工具钢等级为EN X38CrMoV5-1合金钢，其标称化学位置见表2。对工具钢进行调质处理，使其表面硬度达到51(1)HRC的终值，这与高强度铝合金热冲压工艺中使用工具的特性一致。该工具的表面制造获得最终表面粗糙度Sa=0.019(0.005)m，并通过3D轮廓仪进行验证。图2(a)为模具形状和滑动面的形貌，图2(b)为沿、方向的平均粗糙度。根据参考工艺条件实
8、现了表面纹理的定向。 表2 EN X38CrMoV5-1钢的标称化学成分(wt%) 图2 (a)EX X38CrMoV5-1模具的表面形貌；(b)沿主轴的表面轮廓3.3 润滑剂 根据工业实践选用的润滑剂是可商用的粘结剂L-GP Aquadag，它是由分散在水基触变凝胶中的石墨粉末组成。90%的石墨颗粒的最大粒径小于1m。当在93-177的温度下应用于金属薄板时，形成一种完美地附着在表面的润滑剂薄膜。为达到最佳使用效果，该润滑剂在脱矿化水中按15%的比例稀释，通常采用喷涂技术18。图1表示润滑样品和润滑区域的形貌(样品的z2区域)。润滑剂的应用不会改变金属片样品的峰高，因为喷射的液体倾向于填满表
9、面的沟谷。4.实验4.1 实验的程序 为了研究材料热处理和工艺参数对AA7075热冲压件粘着磨损的影响，进行了不同材料和摩擦学试验。首先对处于T6硬化状态(交付条件)的铝合金试样进行热硬度测试(HHT)，然后对其进行增溶热处理，以检测材料性能的变化，并评估及金属板上机械性能的均匀性。然后，通过高温拉伸试验(HTTT)获得了不同热处理条件下的流动应力曲线，并对用于研究材料与模具微观接触的有限元(FE)材料模型的本构参数进行了标定。最后，在两种不同的热处理条件下进行热平板拉伸试验(HFSDT)，考察温度、压力和滑动速度等主要工艺参数的影响。具体的实验设置和实验方案如下。4.2 热硬度测试(HHT)
10、 高温下的洛氏表面硬度测试是使用Instron-Wolpert Rockwell 2000热硬度计进行的，配有电炉，可在750下进行测试。分别再T6和溶解条件下对10.010.02.0(0.1)mm样品进行测试。在室温、200(2)、250(2)、300(2)和350(2)五种温度条件下，使用总负荷为15kgf的1/8钢球进行HR 15W试验，由于材料强度急剧下降，无法在较高温度下进行试验。加载周期为初始加载F05秒，恢复压头的弹性变形，再加载F110秒。每次试验后用乙醚清洗压头。表3为测试数据的详细信息。 表3 HHT的实验方案4.3 热拉伸测试(HTT) 对狗骨样品进行高温拉伸试验22，测
11、量长度为50.0(0.1)mm，宽度为12.5(0.1)mm，厚度为2.0(0.1)mm，激光切割于切割的薄片。使用MTS-322 50KN测功机对试件进行测试，该测功机配有30KW高频发电机和前端加热炉。由于K型热电偶点焊在试样计中部，所以在整个试验过程中温度被控制在闭环状态。形变场周期由一个加热步骤的升温速率30/s(1)测试温度，分别为200(5)、250(5)、300(5)、350(5)、400(5)和450(5)，紧随其后的是一个保持时间为10s允许适当的温度均匀化和最终应用程序的拉伸变形到断裂应变率等于0.1s-1。表4为测试参数的详细信息。 表4 HTT的实验方案4.4 热平板拉
12、伸试验在图1所示的AA7075试样上进行高温平板拉伸试验，试验条件为交付状态和溶解状态。每个样品都是通过专门开发的喷涂装置润滑的，使所有产品应用可靠且可重复25。沉积前用短波红外线将每个试样加热至110(3)，因此一旦喷上润滑剂，水组分蒸发，石墨元素附着在表面。涂层试样在z2区域的形貌，此处沉积1.5(0.2)g/m2的润滑剂。 图3 (a)HFSDT装置；(b)试验过程中负荷和热循环的方案图3(a)为描述的热平板拉伸试验23,24。试样夹在热台上，使其在通过测压元件测得的受控法向力FN作用下滑动。工具的接触面设计为336mmm2,外周拟合半径为2.0(0.1)mm(见图2）。由于摩擦系数仅为
13、试样一侧的接触系数，摩擦系数计算公式为： =FT/FN (1)其中FN和FT分别为模具施加的法向力和试样滑动过程中测得的切向力。在整个试验过程中，通过传导加热来控制试样的温度，加热速率为5(1)/s，试样在试验温度下的保温时间为10s。图3(b)为热循环和负荷循环的应用情况，表5为HFSDT试验方案。 表5 HFSDT的实验方案5. 结果和讨论5.1 机械行为 图4为5种不同温度下的硬度测试结果。正如预料的那样，T6热处理条件下的表面硬度值高于溶解材料，两种情况下的平均差异均为16%。在这两种情况下，当温度高于250时，AA7075的温度会突然下降。由于材料表现出的低屈服强度，未对350以上的
14、温度条件进行测试。 图4 在不同测试温度下的硬度图5(a)和(b)分别显示在T6条件下的流动应力行为和在六种不同测试温度、应变速率为0.1s-1的溶解条件。在这两种情况下，测试温度越高，流动应力行为越低，溶解材料的应力值越低。在温度为300和350以上时，T6和可溶性材料的流动应力值相似。 图5 (a)T6中AA7075的流动应力；(b)溶解条件最终抗拉强度(UTS)的变化趋势相同，其值如图6所示。温度越高，析出物的溶解强度越高，使力学差异与350以上的温度无关。 图6 UTS在不同测试温度下工作5.2 摩擦系数(COF)图7显示在两种不同测试条件且没有(a)和有(b)摩擦的情况下，摩擦系数(COF)与测定行程间的关系。在(a)的情况下，经过从静态摩擦过渡到动态摩擦的初始峰值后，COF 在整个测试行程中是稳定的，没有任何粘附现象，如图7(a)所示。相反，在(b)情况下，随着相关磨损和材料从金属板转移到模具表面，COF急剧增加。 图7 在没有(a)和有(b)摩擦的情况下，COF与测定行程间的关系图8总结了4.4节提出的实验方案进行的HFSDT的结果，显
