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独家!日本制铁棒线材冷锻技术最新研究动向
作者:威尼斯人官网    发布日期:2019-10-27 15:20


  生产率、材料成材率和加工精度良好的冷锻是生产由棒线材制成的汽车零部件必不可少的加工方法之一。日本制铁公司不仅研发新的钢种,而且研究零部件的加工技术。针对冷锻技术存在的问题,公司研究了低应力三轴度区域韧性破坏极限评价,开发了抑制中空部件正向挤压韧性断裂的方法,进行了磷酸盐皮膜的性能评价。

  用于生产汽车零部件的棒线材成品出厂后,在用户处接受拉拔、退火、锻造、切削、表面硬化热处理等各种加工,制成发动机或动力传动系等的部件。这类部件的性能及生产成本不仅受到材料影响,还受到加工技术的很大影响。因此,为了实现汽车零部件的高强度化、高性能化、强化价格竞争力,需要从钢材和加工方法两个方面进行研究。在这种思想的指导下,日本制铁不仅对钢材,还对零部件生产加工技术研发进行了探索,开展从钢材到零部件生产加工技术整个流程的技术开发。

  锻造是以棒线材为原材料的汽车零部件生产必不可少的加工方法之一,其具有生产率高、材料成材率良好的优点。锻造可分为冷锻、温锻、热锻和半熔化锻造,在此,将多用于钢材加工的冷锻和热锻的特征整理于表1。冷锻具有加工精度高、锻造后表面状态好、可省略或简略切削及研磨等精加工等特点。因此,自从引进欧美的技术后,日本大量多种零部件经冷锻的方法成型,技术不断进步,到目前为止,冷锻已经用于齿轮、星形轮等高精度、形状复杂零部件的生产。

  在日本制铁,为了从钢材层面解决冷锻的技术问题,开发了高延展性钢、软质钢、防止粗大晶粒钢等适合冷锻的钢材。并利用双动伺服冲压机等的试验装置和数值分析,开展了高附加值冷锻件的试制开发。本文将介绍日本制铁关于棒线材冷锻中的韧性破坏、中空部件加工和润滑等方面的研究情况。

  不实施材料加热而在室温下加工的冷锻易于在锻件表面或内部发生韧性破坏(裂纹)。当发生韧性破坏时,需要对诸如生产工艺和锻件形状等进行反复验证。因此,为了缩短工期、降低成本,需要建立高精度的韧性破坏预测技术。

  一般情况下,在冷锻的韧性破坏预测中,采用以Cockcroft & Latham公式及大矢根的公式为代表的韧性破坏条件公式。近年来,日本制铁研究了能更精密评价韧性破坏极限、采用应力三轴度-等效塑性应变平面中的韧性破坏极限的预测方法。应力三轴度是平均应力σm除以等效应力σeq的无量纲数,应力三轴度越高,韧性破坏的过程之一——空洞的长大就越得到促进。在应力三轴度0.6以上的区域,主要由拉伸模式导致从材料内部开始韧性破坏发展的情况下,伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限下降。

  而应力三轴度为0.0-0.6之间的区域,从材料表面开始韧性破坏发展的情况下,则有各种结果报告。具体而言,如韧性破坏极限不受应力三轴度的影响,而只由等效塑性应变决定;伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限提高;伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限降低等。因此,可以说,对于低应力三轴度的韧性破坏极限还没有充分理解。为此,在明确区别变形模式差异的基础上,调查了低应力三轴度区域的韧性破坏极限。变形模式差异有可能是造成这种情况的原因。

  试验材料采用实施了球化退火的机械结构用碳素钢JIS S55C。试验片形状分别如图1和图2所示。

  各试验片平行于轧制方向从试验材料上切下备用。试验条件如表2所示。环状切口拉伸试验(试验No.1-4)中,通过试验片的切口半径大小,改变韧性破坏起点——试验片中心(材料内部)的应力三轴度。环状切口扭转试验(试验No.5-9)中,不是单纯扭转,而是边施加压缩负荷边扭转来改变试验破坏起点——切口底部(材料表面)的应力三轴度。试验中的应力三轴度及等效塑性应变,通过采用有限元分析模型Marc Ver.2014的弹塑性分析计算。

  各试验中,达到韧性破坏时破坏起点的应力三轴度和等效塑性应变如图3所示。在应力三轴度0.6以上的区域,由拉伸模式导致从材料内部开始韧性破坏的情况下,与以往的报告相同,伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限下降。

  本研究中关注的低应力三轴度区域,以剪切模式为主体导致从材料表面开始韧性破坏的情况下,同样是应力三轴度和等效塑性应变决定韧性破坏极限,伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限下降。另外还确认,剪切模式为主体和拉伸模式下的韧性破坏极限不同。

  综上可知,在低应力三轴度区域,剪切模式为主体从材料表面开始韧性破坏时,与高应力三轴度区域同样,均为伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限下降。而由于变形模式不同,韧性破坏极限各不相同,因此,为进一步提高韧性破坏预测精度,重要的是与预测对象采用相同的变形模式评价韧性破坏极限。

  为了实现轻量化,生产了大量部分或整体进行冷锻实现中空的汽车零部件。通过冷锻实现的中空,基本上都是采用正向挤压或反向挤压而在中心部成型圆孔的方法。这种情况下,如果孔深L与孔径D的比L/D超过4,出现压曲导致的折损的危险性很高,因此,L/D大的深孔长尺寸中空部件较难通过冷锻实现中空。目前,长尺寸中空部件通常采用枪孔钻切削实现中空,生产效率及材料成材率均偏低。因此,需要发展通过冷锻实现中空部件成型的技术并扩大此类部件的应用。

  可通过减少冲头的表面压力的方法,抑制正向挤压或反向挤压的孔成型中冲头造成的压曲。实际生产中,已有带有辅助张力容器穿孔法实现了L/D为11的深孔成型的案例。日本制铁采用了与之不同的长尺寸中空部件的冷锻成型方法。具体而言,是将实心材料通过孔成型实现中空化,再将得到的中空部件通过正向挤压减径·拉长的方法。然而,本方法在中空部件正向挤压时容易发生内径表面的韧性破坏(以下称为内径表面裂纹),仅依靠调整模具角度或面缩率可能不能完全控制裂纹。因此,考虑了新的内径表面裂纹抑制方法,并经过试验,确认了其效果。

  试验材料采用实施了球化退火的机械结构用碳素钢JIS S43C。正向挤压前后的锻造件形状如图4所示。将剪切裁断的圆棒从两端面进行孔成型,其后冲孔加工成中空部件(图4(a)),通过正向挤压成型为形状各异的3种带阶梯的中空部件(图4(b)-图(d))。图4(b)为用传统方法成型的带阶梯中空部件,外径减径时,在起因于外径部分与内径部分的材料流动速度差的拉伸应力作用下,内径表面发生塑性变形。因此,每当外径减径时,内径表面裂纹的危险性被大大提高。

  因此,为了减少导致拉伸应力发生的外径部分与内径部分的材料流动速度差,考虑了在外径减径的同时扩大内径,抑制内径表面裂纹的新方案。图4(c)为在第2次外径减径中应用了新方案的带阶梯中空部件,调查了内径表面裂纹控制效果的有无和扩径角度对该效果的影响。图4(d)为为最大限度抑制内径表面裂纹而应用了2次新方案的带阶梯中空部件。

  试验结果如图5所示。采用传统的方法(图5(a)),发生了肉眼可见的内径表面裂纹。而在第2次外径减径中采用新方案时(图5(b)),裂纹程度变小且裂纹发生率降低,确认通过新方案可抑制内径表面裂纹。同时还确认,扩径角度越大,抑制裂纹效果越好。通过2次应用新方案,成功地完全抑制了内径表面裂纹(图5(d))。

  综上所述,研究出抑制中空部件正向挤压中内径表面裂纹的新方案,并对效果进行了实际验证。通过应用该方案,能对具有L/D高于传统的深孔的长尺寸中空部件进行冷锻成型。

  对于冷锻采用的润滑剂,要求即使在加工发热及摩擦生热导致的温度急剧上升、显著的表面积增大、高表面压力等苛刻条件下,仍能防止材料-模具间的粘连、降低摩擦系数。为此,在冷锻中,大量使用耐黏连性能良好的磷酸盐皮膜配合肥皂系润滑降低了摩擦系数的磷酸盐肥皂皮膜。

  磷酸盐肥皂皮膜的润滑性会受到多种因素的影响,如皮膜重量对耐黏连性的影响;温度、表面积扩大对摩擦系数的影响等。日本制铁也考虑了独有的耐黏连性评价方法,对磷酸盐肥皂皮膜的性能实施评价。然而对包括模具粗糙度等在内的各种因素影响进行体系性评价的例子较少。因此,改变皮膜厚度、模具粗糙度、界面温度、接触面压力、滑动速度,探讨了各自对摩擦系数及耐黏连性的影响。

  试验材料采用相当于实施了常化处理的机械结构用碳素钢JIS S10C的钢材,用Bauden式摩擦试验进行润滑性能评价。对于初始膜厚5μm的磷酸盐肥皂皮膜,用正方形截面的反冲头进行异形正向挤压,使其表面积扩大,将皮膜厚度在 0.10-0.94μm间调整。压头使用市面上销售的轴承用钢球(材质:JIS SUJ2),通过再加工,使表面突起部位高度为0.007-0.3μm。试验温度25-250℃,试验负荷9.9N、29.4N、68.6N,试验速度为1mm/s、5mm/s、10mm/s。摩擦系数用滑动10次的平均值进行评价,耐黏连性用摩擦系数达到0.2以上之前的滑动距离Lμ0.2 评价。

  温度对摩擦系数的影响如图6所示。压头表面粗糙度对摩擦系数的影响如图7所示。在图6和图7中,图标表示试验数据,线表示后文中的预测公式。由图6可知,从室温到200℃,伴随着温度上升,摩擦系数降低;在250℃急剧增加。由图7可知,粗糙度越小摩擦系数越低。从图6和图7中可以看出,皮膜厚度对摩擦系数几乎没有影响。另外,图中省略的接触面压力和滑动速度也几乎没有影响。用影响较大的温度T(℃)和压头突起部分的高度Rpk[μm]定义摩擦系数μ的公式,得到公式(1)。皮膜被破坏而未发生作用的250℃的数据不用于定义公式。如图6和图7所示,公式(1)和试验数据吻合良好,有望用于考虑到伴随着温度变化的摩擦系数变化的数值分析中。

  研究了温度对耐黏连性的影响,结果显示,摩擦系数不超过0.2情况下的滑动距离Lμ0.2 越长,耐黏连性越高。在25-250℃范围内,随着温度的提高,耐黏连性下降。研究了压头表面粗糙度对耐黏连性的影响,结果显示,粗糙度越低,耐黏连性越高。皮膜厚度越厚,耐黏连性越高。另外,接触面压力和滑动速度几乎对耐黏连性没有影响。

  综上可知,界面温度和模具粗糙度对磷酸盐肥皂皮膜的摩擦系数影响较大;界面温度、模具粗糙度和皮膜厚度对耐黏连性影响较大。

  1)在低应力三轴度区域剪切模式为主体、从材料表面开始韧性破坏的情况下,与高应力三轴度区域同样,伴随着应力三轴度的增加,韧性破坏极限下降。

  2)针对中空部件正向挤压中的内径表面裂纹的问题,考虑了外径减径的同时扩大内径的新的抑制裂纹发生方案,并对效果进行了实际验证。

  3)对于磷酸盐肥皂皮膜的摩擦系数,界面温度和模具粗糙度的影响较大;对于耐黏连性,界面温度、模具粗糙度及皮膜厚度的影响较大。

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