提高固体润滑剂膜摩擦学性能和附着于热成形材料的粘附性的方法

摘要

提高固体润滑剂膜摩擦学性能和附着于热成形材料的粘附性的方法，将固体润滑剂粒子膜涂覆到金属工件上，然后向其施加受控的湿润环境，持续预定时间和温度。在暴露于湿润之后，加热润滑的金属工件用于热成形操作。对润滑的工件的湿润提高了附着于金属工件的固体润滑剂膜的粘附性，从而在随后的热成形操作期间改进工件的摩擦学性能。

说明书

技术领域

本公开内容有关于提高要用于热形成操作的金属工件表面上的润滑剂膜的粘附性的方法，润滑剂膜包括小润滑剂粒子。更具体而言，本公开内容有关于给润滑金属施加受控湿润空气以提高随后的热成形操作中附着于金属工件的润滑剂的摩擦学性能和粘附性的方法。

背景技术

在热成形中，工作材料被加热到特定温度，在该温度材料的塑性变形比在室温下更易于实现。然后使用模具、工具或冲头(高温或在室温)和液压和/或机械力或粘性流体力(高温或在室温)使材料成形以获得所希望的形状和构造。

可通过热成形过程来制作金属物品，热成形过程在压力机中在工作气体压力下使用互补成形工具抵靠成形工具上的成形表面拉伸成形预热的金属坯，例如，铝合金薄板坯。热成形过程包括(例如)超塑性成形(SPF)、锻造、温冲压、吹塑成形、温液压成形以及快速塑性成形(QPF)，在共同转让的美国专利第6,253,588号中描述。

在热吹成形中，可高度成形的薄板，例如铝合金薄板在(例如)大约500℃加热且在外围边缘被紧夹在互补对置模具之间。向薄板的一侧施加加压空气或其它流体以将其拉伸成符合一个模具的成形表面。对置的模具在铝薄板的加压侧上提供空气腔室。两个模具可被加热到升高的成形温度以使薄板保持在预定成形温度用于使薄板成形。薄板可首先压靠在一个模具上用于预定形，且然后被吹靠在对置模具上用于最后成形。因此，热薄板的至少一个表面抵靠模具的成形表面并在模具的成形表面上被拉伸。

在生产操作中，重复地将热薄板工件放置于压力机上，在热模具上成形并移除。润滑剂可涂覆到工件上以缓冲重复的滑动摩擦接触。但润滑剂附着于工件的低粘附性会由于在热成形期间降低材料的摩擦学性能和增加成品部件上的表面缺陷数目而降低成品部件的品质。

发明内容

该方法被实践以提高要进行热成形过程的金属工件上的微粒润滑剂层或膜的粘附性。粘附性更强的润滑剂层在随后的成形操作中更好地保护工件。粘附性更强的膜也可允许在单个热成形步骤中更完全或更精确地成形。根据一实施例，可(例如)通过喷涂、辊涂或浸涂将润滑剂粒子涂覆到金属工件上。润滑剂可包括分散于液体载体中的粒子以用于涂覆步骤。粒子可包括氮化硼、石墨、WS₂或MoS₂中的至少一种。液体载体可为水或乙醇。包含润滑剂粒子的分散液还可包括分散剂或表面活性剂添加剂中的至少一种。在适当地涂覆后，蒸发或以另外的方式移除液体载体以留下润滑剂粒子几乎干燥的膜。所得到的干燥润滑剂膜可通常具有高达大约50微米的厚度，或确定为适合润滑剂粒子、金属工件表面和热成形操作的组合的厚度。

金属工件可包括任何适合合金，其热成形操作可需要粒子膜润滑剂。举例而言，这种润滑剂可用于铝合金、镁合金、钛合金或不锈钢的工件上。在一实施例中，金属工件可为铝合金5083薄板金属工件，其具有大约0.1mm至5mm的厚度。金属工件可设置于腔室中，在腔室中其然后经受具有高相对湿度的空气，例如大约50％至大约100％的相对湿度，对工作表面、润滑剂材料持续预定的时间和温度范围，然后进行计划的热成形操作。还可适当地控制湿度水平。例如，湿度处理的适合温度范围可从大约25℃至60℃变化。在一实施例中，暴露于湿润的时间可为一天至十天。在其它实施例中，暴露于湿润较长时段会产生微粒润滑剂膜更好的粘附性。湿度、时间和温度的确切条件可根据润滑剂组分、润滑剂粒度、润滑剂粒度分布和平均润滑剂厚度而不同。选择湿润步骤的条件以实现用于特定应用的润滑剂粘附性。

在一实施例中，可湿润单个润滑工件用于热成形操作。但在许多情形下，将通过共同的热成形步骤来制备许多润滑工件用于热成形。工件可布置于湿润腔室中使得湿润空气接触润滑表面中的每一个表面。

在暴露于湿润后，将润滑的金属工件从腔室取出。仅经受其它初步工件制备步骤后，涂覆了润滑剂膜的工件可准备用于热成形操作。每个工件可按需进行加热以用于热成形操作。如果工件被加热但并不立即执行成形，那么工件可被冷却且需要时再加热。在一实施例中，例如，具有湿润的润滑膜的AA5083工件可被加热至大约300℃的温度用于温成形或热冲压，或被加热至大约500℃用于热吹成形。

因此，润滑的金属工件在特定条件下进行湿润步骤，这些条件被确定(例如，通过实验方法)以最佳地提高工件材料和表面的润滑剂粘附性且用于计划的热成形操作。可在湿润后立即对工件进行加热和成形。或者，可在湿润过程后储存工件，且然后在随后的时间成形。

提高粘附性改善了在热成形操作中工件的摩擦学性能且可减少在热成形操作期间所制造的部件上的表面缺陷数目。此外，该方法提高了附着于不合格润滑材料的润滑剂的粘附性，且因此排除了报废材料或者移除润滑剂且利用新润滑剂再喷涂材料的需要。

技术方案1：一种提高润滑剂附着于至少一个金属工件的粘附性用于所述金属工件随后热成形的方法，所述方法包括：

向至少一个金属工件表面涂覆润滑剂以在所述金属工件表面上形成润滑剂膜，所述润滑剂包括分散于液体载体中的粒子，其中所述粒子包括氮化硼、石墨、WS₂或MoS₂中的至少一种，且其中所述润滑剂膜具有预定厚度；

将所述金属工件设置于湿润空气腔室中；

在所述腔室中使所述金属工件暴露于大约50％至大约100％的预定相对湿度水平，持续至少一天的预定湿润时段且处于预定湿润温度，并包括选择预定湿度水平、湿润时间和温度来提高所述润滑剂膜附着于所述金属工件的粘附性；

从所述腔室取出所述金属工件；以及之后

加热所述金属工件以对所述金属工件的润滑表面进行热成形操作。

技术方案2：根据技术方案1所述的方法，其中所述预定湿润温度为大约25℃至大约60℃。

技术方案3：根据技术方案1所述的方法，其中所述预定相对湿度水平为大约80％至大约100％。

技术方案4：根据技术方案1所述的方法，其中所述预定湿润时段为大约1天至大约10天。

技术方案5：根据技术方案1所述的方法，其中所述液体载体包括水或乙醇中的至少一种。

技术方案6：根据技术方案1所述的方法，其中所述润滑剂还包括表面活性剂或分散剂中的至少一种。

技术方案7：根据技术方案1所述的方法，其中所述粒子具有大约五微米的平均直径。

技术方案8：根据技术方案1所述的方法，其中所述润滑剂膜具有大约5微米至大约9微米的厚度。

技术方案9：根据技术方案1所述的方法，其中所述润滑剂膜具有大约12微米至大约17微米的厚度。

技术方案10：根据技术方案1所述的方法，其中所述金属工件包括铝合金5083。

技术方案11：根据技术方案1所述的方法，其中所述金属工件包括铝合金、镁合金或钛合金之一。

技术方案12：根据技术方案1所述的方法，其中所述金属工件是金属薄板。

技术方案13：根据技术方案12所述的方法，其中，所述热成形操作包括加热所述金属薄板，拉伸所述金属薄板的至少一部分使得通过向所述薄板的相对侧施加工作气体压力使所述薄板的一侧与成形表面形成接触，且其中拉伸通过将工作气体压力连续地增加到最终拉伸压力来实现。

附图说明

图1示出与未经处理的润滑的金属相比，根据本发明的一种方法被施加受控空气和温度的润滑薄板金属样品的附着于金属的润滑剂的粘附性的测量结果。

图2示出与未经处理的润滑的金属相比，根据本发明的一种方法被施加受控空气和温度的具有薄润滑剂膜的金属样品，作为测试时间函数的摩擦系数。

图3示出与未经处理的润滑的金属相比，对于具有根据本发明的一种方法经受控制的气氛和温度的厚润滑剂膜的金属样品的作为测试时间函数的摩擦系数。

图4是用于金属坯热吹成形的代表性热工具的示意图。工具由工具钢合金制成且在内部被加热到成形温度。

具体实施方式

要进行金属热成形的工件可被润滑。润滑剂可(例如)用于在金属抵靠成形表面滑动时提供润滑，和/或在成形操作完成时从工具释放成形的工件。润滑剂层最重要的特征之一是其附着于金属的粘附性。低粘附性会由于在成形期间降低材料性能和增加部件上的表面缺陷数目而降低成品部件的品质。一个实施例包括提高金属工件上固体润滑剂膜的粘附性和摩擦学性能的方法。该方法显著地提高了附着于金属的润滑剂的粘附性且可减小成形部件上的表面缺陷数目，从而改进部件的表面品质。该方法也可降低表面修饰成本。

此外，该方法可用于加工不符合最低粘附性要求的润滑材料。如本领域中已知的那样，必须洗涤无足够粘附性的润滑材料且再喷涂润滑剂，从而增加了加工不合格材料的成本。当根据本发明的方法改进润滑剂的粘附性时，对于不符合的润滑材料，润滑剂的移除和再喷涂变得不必要。因此，该方法完全排除了与润滑剂移除和再涂覆相关的成本。

附着于金属的固体润滑剂膜的粘附性可取决于润滑过程参数和润滑剂粒度和粒度分布。可使用任何适合的固体微粒润滑剂，例如，但不限于，氮化硼(BN)、石墨、WS₂或MoS₂中至少一种。微粒润滑剂可分散或悬浮于任何合适液体中，例如，但不限于，水或乙醇中的至少一种。粒子可为任何适合的尺寸。在一实施例中，润滑剂中的平均粒度可为大约5微米。在一实施例中，润滑剂中95％的粒子小于5微米。润滑剂还可包括分散剂或表面活性剂中的至少一种来增加润滑剂的均匀性。

根据一实施例，润滑剂首先通过任何适合方法涂覆到金属工件上，例如但不限于，喷涂、浸渍或辊涂。金属工件可为(例如，但不限于)铝合金、镁合金或钛合金。在金属工件是薄板的情况下，工件可包括任何材料，其被制备成薄板以在热成形过程中与固体润滑剂一起使用。在金属工件是薄板的情况下，薄板金属工件的厚度可为任何合适厚度，例如(但不限于)大约0.5mm至大约5mm。

润滑剂的例如氮化硼的适合液体悬浮液可喷涂于金属工件的表面上。选择诸如水或乙醇的液体载体，使得其在周围温度或者在加热金属工件时蒸发。根据本发明的方法，在润滑的工件被施加湿润空气和加热之前涂覆润滑剂并干燥。在液体载体蒸发后形成的润滑剂膜厚度可为大约1微米至大约100微米。在一实施例中，润滑剂膜的厚度可为大约50微米或更小。

在向金属工件涂覆润滑剂后，润滑的工件被设置于腔室内且在精确的时间和温度下被施加受控的湿润空气。腔室可为用于工件的任何适合的封壳，例如，但不限于，箱、腔或室。在一实施例中，湿度水平可在大约50％至大约100％之间变动。在一实施例中，湿度水平可在大约80％至大约100％。在另一实施例中，湿度水平可为大约100％。在另一实施例中，处理的温度范围在大约25℃至大约60℃之间变动。在另一实施例中，处理的温度范围在大约25℃至大约45℃之间变动。在另一实施例中，处理的温度范围在大约35℃至大约45℃之间变动。暴露于湿润的时间可为至少1天。在一实施例中，暴露时间可在大约1天至大约10天之间变动。在另一实施例中，暴露时间在大约1天至大约3天之间变动。选择湿度水平、温度和暴露时间以将润滑剂的粘附性提高到所希望的水平。

在暴露于湿润之后，在精确且受控的时间和温度下加热润滑的工件。举例而言，在一实施例中，润滑的工件可在大约300℃至大约550℃被加热。在另一实施例中，润滑的工件可在大约450℃被加热。在一实施例中，润滑的工件可被加热大约1分钟至大约10分钟。在另一实施例中，润滑的工件可被加热大约5分钟。选择进行加热的温度和时间以将润滑剂的粘附性提高到所希望的水平。

暴露于湿润和加热的条件可取决于润滑剂粒度和粒度分布和平均润滑剂厚度。

在向润滑金属工件施加湿润和加热步骤之后，工件可在热成形操作中成形为产品。在一实施例中，可在完成湿润和加热过程之后使工件立即热成形。或者，可在湿润和加热过程之后冷却工件，且然后在随后的时间使工件热成形。或者，加热步骤可为热形成操作的一部分。

进行实验以测试在不同温度使具有两种标称润滑剂厚度的薄板暴露于100％湿度的效果。薄板金属样品由AA5083制成。铝合金5083具有以下典型组成成分，按重量计，大约4％至5％的镁，0.3％至1％的锰，最多0.25％的铬，大约0.1％的铜，至多大约0.3％的铁，至多大约0.2％的硅以及余量基本上全为铝。氮化硼润滑剂喷涂于薄板金属上。润滑剂中95％的粒子具有小于5微米的直径。

对于每种实验条件评估三种样品。样品被加上润滑剂薄的第一厚度或第二厚度的润滑剂。第一厚度被指定为“薄”，为大约5微米至大约9微米，或者0.00020英寸至0.00035英寸。第二厚度被指定为“厚”，为大约12微米至大约17微米，或者0.00045英寸至0.00060英寸。

工件在32.2℃、37.8℃和43.3℃暴露于100％湿度1天、3天和6天。使用可购自Q-Lab Corporation，Cleveland，Ohio的型号为CCT1100的Q-FOG循环腐蚀腔室，来执行暴露于湿润。使用夹钳将样品悬置于湿润腔室内。由微处理器来控制腔室温度和湿度。在指定时段(1天、3天和6天)之后，从腔室取出样品且在空气中放置冷却至室温。在四小时后在室温下对一半样品进行润滑剂粘附性测试。

使用可购自DENTSPLY NEYTECH，Burlington，New Jersey的Vulcan箱式炉(50℃-1100℃，±5℃)将另一半样品加热至450℃。样品保持在炉中5分钟且然后空气冷却到室温。在所有实验步骤之后执行润滑表面的光学评估。

在三个不同时间进行润滑剂粘附性测量：在向样品施加100％湿度条件之前对所接收的样品进行测量，在暴露于湿润之后对样品进行测量，以及在进行加热后对样品进行测量。进行两次摩擦系数测量：在向样品施加湿润之前对所接收的样品进行测量，以及在暴露于湿润之后但加热之前对样品进行测量。

选择二十个“薄”样品(其具有5至9微米厚的润滑剂膜)和二十个“厚”样品(具有12至17微米厚的润滑剂膜)作为未施加100％湿度的对照样品。使用十个厚样品和十个薄样品来确定所接收的润滑剂粘附性。剩余的十个厚样品和十个薄样品在Vulcan箱式炉中以450℃加热5分钟，且然后在样品冷却到室温后执行润滑剂粘附性测量。

润滑剂粘附性测量如下进行。使用“在负荷下摩擦”测试来评估附着于薄板金属的固体膜润滑剂的粘附性。测试包括使用受控的且固定的移动和负荷来摩擦润滑的薄板金属，且然后确定通过施加的负荷和运动的作用从表面移除的润滑剂量。从表面移除的润滑剂越多，“润滑剂移除数”就越高。因此，更高的润滑剂移除数表示附着于薄板金属表面的润滑剂的粘附性较小。移除数的范围为零至10。零表示未检测到通过移动和施加的负荷从表面移除的润滑剂，且因此润滑剂具有很好的粘附性。

图1示出与未经处理的润滑金属相比，被施加如上文所述受控的空气和温度的润滑金属的润滑剂移除数。如图1所示，对于根据本发明的方法处理的薄样品和厚样品，提高了附着于薄板金属的润滑剂的粘附性。在经过处理的样品中，附着于薄板金属的粘附性远比常规生产的样品(每种条件的基线)更好。对于暴露于湿润的所有时间(1天、3天和6天)和对于薄润滑剂厚度和厚润滑剂厚度，都可以看出这种改进。

图2和图3示出在低滑动速度(0.1Hz)和高温(450℃)下使用平面对平面往复摩擦学测试所测量的与未经处理的薄板金属相比，经过处理的材料的摩擦学性能的改进。使用修改成实现低滑动速度的Plint TE-77高频摩擦机器来测量经过处理和未经处理的润滑的材料的摩擦学性质。使用该机器来评估不同处理长度和润滑剂厚度对样品的摩擦学性能的影响。对于用于图2和图3的样品的平面对平面往复摩擦学测试方法，润滑样品具有95mm乘59mm的尺寸以适合修改的PlintTE-77机器上的样本台。平面对平面往复测试方法涉及两个平面样本之间的接触：上部钢配件，其模拟成形工具；以及下部配件，润滑薄板金属。上部钢配件在相关温度靠在固定润滑薄板金属上以往复运动滑动。数据采集系统每隔0.1秒记录数据。Plint机器的数据采集系统在这些测试中每个测试期间自动记录摩擦系数(FC)、接触电势(CP)、负荷、温度和频率。对于每种条件和润滑剂厚度进行三次测试。

图2和图3示出对于未经处理的样品、处理了三天的样品和处理了六天的样品，关于时间的摩擦系数。在图2中的样品具有薄润滑剂膜，而在图3中的样品具有厚润滑剂膜。两个图示出经过处理的样品具有比未经处理的产品好很多的润滑剂粘附性，且它们示出在相同温度下更长时间处理的改进。

随后可在任何适合的热成形过程中成形根据本发明方法处理的金属工件。图4示出根据一实施例用于将金属薄板工件热吹成形为适用物品的液压机10。这些适用物品可包括机动车辆闭合面板，例如内部和/或外部行李箱门板或门板。参看图4，液压机10包括固定下压板12和可竖直移动的上压板14。绝热层16设置于下压板12上且内部加热的下热吹成形工具18(以截面图示出)位于绝热件16上。同样，可移动的上压板14携带有在内部加热的上成形工具20(以截面图示出)，其由绝热层22与上压板14热分隔。

仍参看图4，成形工具18、20可由适合的工具钢形成，例如P20，具有按重量计通常0.35％碳的铬、钼工具钢。每个成形工具18、20的基部和侧部覆盖有绝热件(大体上以附图标记24表示)。每个成形工具18、20由适合数目的电阻加热杆(例如，26个)加热，电阻加热杆被放置成将工具和成形表面维持在合适的热吹成形温度，该热吹成形温度可为大约500℃。

在图4的说明中，下成形工具18成形为提供高压空气腔室28用于向预热的润滑的金属薄板坯(未图示)的一侧施加变化的成形压力的排定程序。上成形工具20经机械加工和抛光以提供成形表面30用于一系列许多薄板金属工件。在薄板金属成形操作中，利用装置(未图示)来致动液压机10以提升上成形工具20，用于将预热的铝合金薄板(也在大约500℃)放置(通常由机器人)于工具18、20之间。工具20被降下以在工具侧部上在密封条(未图示)之间夹紧薄板工件的边缘。然后根据压力排程将流体(通常为空气)引入到腔室28内以渐进地将薄板拉伸成与工具20的表面30顺应接触。在数分钟的一段时间后，提升上成形工具20用于谨慎地移除热拉伸成形部件。

利用某些实施例说明了本发明的实践，但本发明的范畴并不限于这些实例。