超高强度钢板热冲压用多功能防护涂料的应用研究

范广宏, 任明伟, 周永松
( 机械科学研究总院先进制造技术研究中心先进成形技术与装备国家重点实验室, 北京100083)

超高强度钢板( Ultra High Strength Steels, UH-SS) 热冲压成形车辆构件, 可以提高车辆的碰撞性能并满足轻量化要求, 是目前汽车制造领域的前沿技术[1-3] 。常见车型如奔腾、宝来、奥迪等都使用超高强钢板热冲压件, 但关键技术由国外垄断, 目前国内在此领域还有多个技术瓶颈需要突破, 其中热冲压成形工艺中超高强度钢板的表面防护工艺是急需解决的问题之一[ 4] 。在超高强度钢板热冲压成形过程中, 若不采取有效的表面防护措施, 会导致钢板在高温加热过程中出现氧化现象, 残留的氧化皮使钢板与模具之间的摩擦系数迅速增大[ 5] , 导致成形件精度低、成形载荷高、模具寿命大幅度降低等严重问题, 无法满足精净成形的要求。为了适应热冲压成形技术需要,钢板表面防护材料不但要有良好的高温防氧化性能,而且还要具备良好的润滑性及导热性等多种功能,发挥综合防护性能, 确保高质量高精度成形。国外的研究机构已经研制出这种多功能防护材料, 但由于技术封锁等原因, 国内目前还没有能够满足超高强度钢板热冲压成形工艺要求的多功能表面防护材料。本研究开发的超高强度钢板热冲压防护材料是由微、纳米级的多种功能组分材料和水性环保有机成膜材料高效复合而成, 具有优异的高温防氧化性、润滑性、脱模性和导热性等多种功能, 既能确保钢板加热、成形过程中不被氧化, 又不妨碍冲压件在模具内冷却淬火, 所得构件的成形质量和性能达到国外同类产品先进水平。研制的多功能防护涂料可在950~ 1000 - 条件下稳定保护10 min 以上, 综合防氧化效果大于91.5%, 且其在950 - 条件下摩擦系数小于0. 11 ( 圆环法测定) , 属于环保无毒害产品。

1 . 实验
1. 1 . 实验原料及设备
实验原料: 水性环保有机双组份胶粘剂( 自制) ; 石墨、氟化物、金属氧化物、金属微颗粒( 如铝粉) 等原料均为市售产品; 热冲压用超高强度钢板采购自中国宝钢集团。实验设备: SX 搅拌球磨机,SM 磨机, 电子天平, 箱式电阻炉, 5000 kN 液压机。
1. 2 . 多功能防护涂料的调配
将耐高温材料( 5% ~ 30% ) , 高导热材料( 10%~ 20% ) , 其它功能填料( 10% ~ 25% ) , 水( 20%~ 30%) 配成混合浆料进行超细研磨, 使粒径达到微纳米范围( 一般为200 nm 左右) 。然后, 将微纳米颗粒浆料( 80% ~ 40%) 与有机双组份胶粘剂B 组分( 12% ~ 36%) 混合搅拌, 经三辊研磨数次均匀后即为含有多功能填料的有机成膜剂B 组分, 使用时要与有机双组份胶粘剂A 组分即有机成膜剂A 组分( 8% ~ 24%) 进行混合, 均匀后再加水调节至合适浓度, 至此就完成了多功能防护涂料的调配。多功能涂料调配完成后, 需在0. 5 h 内实施喷涂作业。目前, 上述有机成膜剂A 、B 两组分已制成产品可以单独存储一年以上不变质, 使用时只要将A 、B 组分按比例调配均匀即可, 方便、安全。
1. 3 . 超高强度钢板热冲压表面防护工艺
在超高强钢热冲压工艺中, 多功能防护涂料的使用流程为: ( 1) 涂装前对超高强度钢板表面进行预处理, 清除掉灰尘、锈迹、油污等; ( 2) 采用喷涂的方法将调配好的多功能防护涂料涂在超高强度钢板表面; ( 3) 室温下固化24 h 或60 - 固化2 h; ( 4) 按相关标准进行抽样测试; ( 5) 测试合格后, 进行热冲压成形; ( 6) 除去残留保护材料, 得到成形构件。

2 . 结果与讨论
2. 1 . 超高强度钢板热冲压表面综合防护方案
超高强度钢板热冲压成形工况条件苛刻, 冲压前的钢板加热易产生氧化皮, 冲压时易出现起皱、开裂等缺陷[ 6-9] , 因此需要采用具有高温润滑性、脱模性、导热性和高温防氧化性等功效的多功能的涂层对钢板表面进行综合防护。研究发现, 当在具有成膜功能的有机基体中以复合微纳米大小的导热材料、润滑材料、防氧化材料等功能组分组成超高强度钢板热冲压表面防护涂层时( 图1) , 可以对热冲压钢板成形起到较好的综合防护效果。

图1 . 多功能防护涂层的构成组分
图1 中的有机成膜基体是一种自主开发的融入了纳米胶体二氧化硅结构的新型双组份水性环保胶粘剂, 具有成膜性好、附着力强、耐腐蚀、力学性能优良等特性, 其在高温下可以在被保护表面形成致密的膜层, 起到隔绝氧气的作用, 且属于无毒无污染的环保产品, 为保护材料的主要组成基体。耐高温防氧化材料采用纳米胶体二氧化硅结构材料,基于以下3 点考虑: ( 1) 纳米胶体二氧化硅具有良好的耐高温性, 一般可耐1200 - 以上, 完全可以满足耐高温的要求; ( 2) 纳米胶体二氧化硅具有较好的亲水性, 可以简化涂料组成及精简生产工艺, 环保实用; ( 3) 高温下, 纳米二氧化硅可以在被保护表面形成致密的二氧化硅薄膜层, 起到隔绝氧气的作用。润滑材料为石墨、氟化物、无机含氧酸盐中的一种或几种混合而成, 高温下仍具有较好的润滑性, 在超高强度钢板热成形过程中起润滑、脱模的作用; 导热材料由金属或其氧化物组成, 如铝粉等,在成形过程中起均匀受热、有效散热的作用, 确保成形构件具有所需的强度指标、硬度指标。
2. 2 . 微纳米技术在热冲压表面防护中的作用
在超高强度钢板热冲压工艺中, 防护涂料需要具备高温防氧化性、润滑性、脱模性和导热性等多种功能, 这就对功能组分中颗粒的粒径大小提出了较高的要求。如果组分中颗粒粒径过大则涂料的抗沉降稳定性降低, 不利于存储和使用; 形成涂层后,表面粗糙不平, 影响热冲压成形精度; 热冲压过程中, 产生较大间隙, 使氧气容易接触炽热钢板表面,影响防氧化效果。组分中颗粒粒径过小, 如达到纳米级大小, 生产成本将大幅提高, 且在热冲压过程中组分流动过快, 也会对综合防护效果产生不利影响。通过大量正交试验的对比分析, 发现组分颗粒粒径在微、纳米范围( 粒径在纳米级和微米级之间)
时, 涂料均一稳定, 各组分有效复合; 形成的涂层厚度有几十微米厚, 表面平滑, 厚度均匀, 无缩孔、针孔、起泡、开裂等现象, 在热冲压工艺中综合防护效果佳。为了将功能组分微纳米化, 本文提出了两步法超细研磨加工技术, 得到的颗粒粒径在200 nm 左右, 粒度分布即多分散性PD 值为0. 050,属于窄分布, 没有较大颗粒出现, 如图2 所示。