M2高速鋼的高溫摩擦磨損行為

顧繩初 朱麗慧段元滿吳曉春顧炳福

(1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.江蘇省福達(dá)特種鋼有限公司，江蘇 揚(yáng)中 212200)

M2高速鋼(W6Mo5Cr4V2)是我國最常用的一種通用型高速鋼，其擁有良好的紅硬性、耐磨性、強(qiáng)度和韌性配合，且便于加工，因此主要用來制造各種切削刀具和工模具。M2高速鋼制造的刀具，由于具有性能優(yōu)良、價格相對較低等優(yōu)點，得到了廣泛應(yīng)用[1-3]。高速鋼刀具常因為機(jī)械摩擦導(dǎo)致刃部變鈍喪失切削能力[4]。在切削加工過程中，高速鋼刀具溫度可以達(dá)到550～600 ℃[4]。因此，研究切削刀具用高速鋼的高溫摩擦磨損行為具有非常重要的意義。梁曉陽等[5]指出：200 ℃下M2高速鋼的磨損形式以粘著磨損為主，同時存在氧化磨損。張海峰等[6]研究表明：在200 ℃以下，M2高速鋼的磨損量變化較小，磨損形式主要是微觀的犁削和切削；超過200 ℃之后，磨屑粘附表面，且形成潤滑作用良好的氧化膜，使摩擦因數(shù)降低。Pellizzari等[7]研究表明：軋輥用高速鋼的磨損形式為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損，以磨粒磨損為主。Tieu等[8]研究了軋輥用高速鋼的摩擦行為，發(fā)現(xiàn)試樣表面生成了致密均勻的氧化層，軋輥表面溫度過高會導(dǎo)致氧化層剝落并粘著在軋輥表面。由此可見，溫度對高速鋼的高溫摩擦磨損性能有重要影響，但目前,關(guān)于M2高速鋼這方面的研究還有待進(jìn)一步深入。

本文選取國產(chǎn)M2高速鋼，在200、400和600 ℃進(jìn)行摩擦磨損試驗。采用掃描電鏡觀察磨損表面形貌，分析不同溫度下的磨損機(jī)制，探討溫度對摩擦因數(shù)、磨損體積的影響，以期為提高M(jìn)2高速鋼刀具的高溫耐磨性提供借鑒。

1 試驗材料及方法

試驗材料為國內(nèi)某廠提供的φ100 mm的M2高速鋼退火態(tài)棒材，其化學(xué)成分如表1所示。棒材經(jīng)1 200 ℃真空淬火，550 ℃×1 h回火3次后，硬度約63 HRC。摩擦磨損試樣取自熱處理后棒材的1/4直徑處，試樣尺寸為10 mm×10 mm×36 mm，表面粗糙度Ra=0.19 μm。

表1 M2高速鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

試驗在Bruker UMT-3型球-盤線性往復(fù)式高溫摩擦磨損試驗機(jī)上進(jìn)行。摩擦副為SiC陶瓷球，直徑為9.5 mm，硬度為2 800 HV，表面粗糙度Ra=0.13 μm。試驗溫度分別選取200、400和600 ℃，試驗環(huán)境為大氣環(huán)境且無潤滑。摩擦?xí)r間1 h，載荷35 N，頻率5 Hz，摩擦行程10 mm，總滑移距離360 m。試驗過程中，摩擦因數(shù)由試驗機(jī)實時采集并保存。試驗后, 用超聲波清洗試樣，采用Bruker Contour GT-K型光學(xué)輪廓儀測量試樣表面輪廓和磨損體積。采用Zeiss Supra40型場發(fā)射掃描電鏡觀察試樣磨損表面形貌，并用配套的能譜儀進(jìn)行成分分析。

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 顯微組織

圖1為M2高速鋼淬-回火態(tài)的顯微組織。如圖1(a)所示，晶界存在顆粒較大、形狀不規(guī)則的共晶碳化物。此外，晶界和晶內(nèi)還彌散分布著小顆粒碳化物(見圖1(b))。采用Image-Pro Plus軟件統(tǒng)計5張SEM照片，得出小顆粒碳化物的平均尺寸約1 μm。

圖1 M2高速鋼淬-回火態(tài)的顯微組織

2.2 摩擦因數(shù)

圖2(a)和2(b)分別為不同溫度下M2高速鋼的摩擦因數(shù)隨時間的變化曲線和穩(wěn)態(tài)時的摩擦因數(shù)。200 ℃時，摩擦因數(shù)波動較大；400和600 ℃時摩擦因數(shù)波動減小，且數(shù)值低于200 ℃，如圖2(a)所示。由圖2(b)可見，穩(wěn)態(tài)時的摩擦因數(shù)隨溫度升高先降低隨后趨于平穩(wěn)，200、400和600 ℃下的摩擦因數(shù)分別為0.65、0.39和0.40。

圖2 200、400和600 ℃下M2高速鋼的摩擦因數(shù)隨時間變化曲線(a)和穩(wěn)態(tài)時的摩擦因數(shù)(b)

2.3 磨損體積

圖3為200、400和600 ℃下M2高速鋼的磨痕輪廓和磨痕輪廓曲線。隨著溫度的升高，試樣的磨痕深度先顯著增大后減小。200 ℃下磨痕較淺，最大深度約為7 μm；400和600 ℃下磨痕最深處分別約為48和37 μm。但磨痕寬度隨溫度變化不明顯。

根據(jù)輪廓儀測定的磨痕輪廓計算磨損體積。圖4為M2高速鋼在不同溫度下的磨損體積。磨損體積隨溫度的變化與圖3中磨痕深度的變化規(guī)律相同。隨著溫度的升高，磨損體積先增大后減小，400 ℃時磨損體積最大，約2.1×108μm3，分別是200和600 ℃的15倍和1.2倍?？梢姡囼灉囟葘2高速鋼的耐磨性影響顯著。

圖4 200、400和600 ℃下M2高速鋼的磨損體積

圖3 M2高速鋼的磨痕輪廓和磨痕輪廓曲線

2.4 磨損形貌及機(jī)制

圖5為200 ℃下M2高速鋼的磨損表面形貌及EDS成分分析。磨損表面有犁溝特征，部分區(qū)域有塊狀粘著物，見圖5(a)。犁溝處(圖5(a)中點1，其能譜分析見圖5(b))表面存在輕微氧化；而塊狀粘著物(圖5(a)中點2，其能譜分析見圖5(c))氧含量較高，表明摩擦生成了氧化物[9]。

圖5 200 ℃下M2高速鋼磨損試驗后的磨損表面形貌(a)及能譜分析(b～c)

沿著摩擦方向的犁溝的產(chǎn)生是由于磨損過程中部分剝落的碳化物顆粒和產(chǎn)生的磨屑在摩擦副之間摩擦試樣表面，是典型的磨粒磨損特征[10]。同時，磨球?qū)υ嚇邮┘虞d荷會造成接觸面發(fā)生局部粘著，而后在相對滑動過程中，粘著處被剪切形成塊狀剝落，部分塊狀剝落的氧化物再被磨球壓實，進(jìn)而形成凸起的塊狀氧化層[11]，這是粘著磨損的典型特征。摩擦副相對運(yùn)動時，表面的塑性變形加速了氧向金屬內(nèi)部擴(kuò)散，形成氧化層。由于形成的氧化膜強(qiáng)度低，會被磨球剝落，產(chǎn)生氧化磨損[12]?？梢?00 ℃時，磨損形式主要是磨粒磨損，同時存在粘著磨損和輕微的氧化磨損。梁曉陽等[5]認(rèn)為：200 ℃下M2高速鋼的磨損以粘著磨損為主，也存在氧化磨損。這與本文試驗結(jié)果略有差異，可能是由于兩者的試驗條件不同(本文試驗：載荷35 N，試樣采用磨床加工；梁曉陽：載荷19.6 N，試樣表面拋光)。本文試驗條件下M2高速鋼的粘著傾向較小，導(dǎo)致了磨粒磨損為主的磨損機(jī)制。在以磨粒磨損為主的磨損過程中，鋼中碳化物顆粒能阻礙SiC球直接接觸基體表面，起到了良好的減磨作用。因此，200 ℃時M2高速鋼的磨損體積較小。由于碳化物對磨球滑動的阻力較大，因此摩擦因數(shù)較大。磨球經(jīng)過試樣表面大顆粒碳化物和塊狀氧化物時，摩擦阻力會產(chǎn)生相應(yīng)變化，造成了摩擦因數(shù)的明顯波動(見圖2(a))。

400 ℃下M2高速鋼的磨損表面形貌及其能譜分析見圖6。磨損表面較為平整光滑，氧含量較200 ℃下有所增加(圖6(a)中點3，其能譜分析見圖6(b))。表面塊狀粘著物(圖6(a)中點4，其能譜分析見圖6(c))數(shù)量較多，且氧含量較高。此外，還存在大量較長的平行于摩擦方向的塊狀剝落坑。

圖6 400 ℃下M2高速鋼磨損試驗后的磨損表面形貌(a)及能譜分析(b～c)

閆國斌等[11]對M50高速鋼的研究表明：400 ℃下，由于環(huán)境溫度和摩擦熱的共同作用，摩擦副界面材料發(fā)生軟化熔融，形成金屬膜，磨損以金屬膜的粘著破壞為主。因此，此時M2高速鋼的主要磨損形式為粘著磨損和氧化磨損，以粘著磨損為主。由于400 ℃下粘著磨損較為嚴(yán)重，導(dǎo)致磨損體積較200 ℃時顯著增大。由于表面軟化熔融和較多的具有潤滑作用的摩擦氧化物[12]的形成，摩擦副微接觸點處的剪切阻力大幅度降低，600 ℃下的摩擦因數(shù)較200 ℃時明顯下降，且其波動有所減小。

600 ℃下M2高速鋼的磨損表面更加光滑，如圖7(a)所示，同時沿著摩擦方向有較大的塊狀剝落。能譜分析顯示，平整處(圖7(a)中點5，其能譜分析見圖7(b))氧含量較高。圖7(c,d)面掃描結(jié)果顯示：整個磨損表面氧分布均勻，且未觀察到碳化物顆粒。由此可見，試樣表面完全被氧化層覆蓋。

圖7 600 ℃下M2高速鋼磨損試驗后的磨損表面形貌(a、c)及能譜點分析(b)和面分布(d)

此時，M2高速鋼的磨損形式以氧化磨損為主，其磨損體積較400 ℃時有所減小。這是由于：在磨損初期，以粘著磨損為主；隨著磨損的進(jìn)行，表面氧化程度逐漸增大，當(dāng)氧化層完全覆蓋后，阻礙了磨球直接接觸基體，從而使600 ℃的磨損體積較400 ℃有所減小。和400 ℃時相似，由于高溫下接觸點材料的軟化熔融，加之氧化物的潤滑作用，600 ℃下的摩擦因數(shù)較200 ℃時明顯降低，波動減小。

3 結(jié)論

(1)M2高速鋼在200 ℃下為磨粒磨損、粘著磨損和輕微的氧化磨損，以磨粒磨損為主；400和600 ℃下為粘著磨損和氧化磨損，400 ℃以粘著磨損為主，600 ℃以氧化磨損為主。

(2)M2高速鋼在200 ℃下的摩擦因數(shù)為0.65，隨著溫度的提高，摩擦因數(shù)先降低，隨后趨于平穩(wěn)，400和600 ℃分別為0.39和0.40。這是由于200 ℃下碳化物阻礙磨球直接接觸基體，使摩擦副相對滑動時的剪切阻力較大，摩擦因數(shù)較大。400和600 ℃時由于材料的軟化熔融和氧化層的減磨作用，摩擦因數(shù)相近，較200 ℃明顯降低。

(3)隨著溫度的升高，M2高速鋼的磨損體積先增大后減小。400 ℃時磨損體積最大，為2.1×108μm3，分別是200 和600 ℃時的15倍和1.2倍。這是由于400 ℃時粘著磨損嚴(yán)重，加劇了磨損；600 ℃時以氧化磨損為主，由于氧化層起良好的減磨作用，磨損減弱。