熱鍛模高溫摩擦磨損探討及對(duì)策

趙中里，薛勇杰，吳大鳴，馮雅輝，黃昌文，宋加兵，王 濤，汪 杰，4，朱皓哲

（1.北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029；2.安徽智模新材料科技有限公司，安徽 安慶 246003；3.安徽安簧機(jī)械股份有限公司，安徽 安慶 246000；4.安慶北化大科技園有限公司，安徽 安慶 246000）

0 引 言

鍛模是生產(chǎn)模鍛件的關(guān)鍵工藝裝備[1-3]，目前以機(jī)器人、步進(jìn)梁為代表的自動(dòng)化技術(shù)是鍛造行業(yè)機(jī)器換人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，使用壽命長(zhǎng)的鍛模成為實(shí)現(xiàn)鍛件生產(chǎn)機(jī)械化和自動(dòng)化的必備條件。模具使用壽命是衡量模具質(zhì)量的重要指標(biāo)之一，無(wú)論是模具的大型化、復(fù)雜化，還是高精度、高效率，都依賴于模具使用壽命的延長(zhǎng)，只有高質(zhì)量的模具才能生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的模鍛件，模具與鍛件的性價(jià)比反映了企業(yè)技術(shù)和管理水平，而模具使用壽命則在性價(jià)比中起著關(guān)鍵作用[4]。

模具使用壽命不僅影響鍛件生產(chǎn)質(zhì)量，還影響生產(chǎn)效率和成本，目前鍛造行業(yè)廣泛應(yīng)用的熱作模具鋼為H13、DIEVAR等，盡管都具有高的淬透性和高的韌性以及優(yōu)良的抗熱裂能力和抗高溫軟化能力，但仍然存在模具零件拉傷、開(kāi)裂等問(wèn)題，導(dǎo)致生產(chǎn)的鍛件表面產(chǎn)生劃痕，增加后續(xù)加工成本。延長(zhǎng)模具使用壽命就是延緩模具零件的失效，延緩模具零件失效的前提是要認(rèn)知模具零件的失效行為。針對(duì)延長(zhǎng)熱鍛模使用壽命的方法，利用離子碳氮共滲與物理氣相沉積的復(fù)合處理技術(shù)將鋼質(zhì)活塞頭使用壽命延長(zhǎng)3倍，單次可鍛打1.9萬(wàn)次以上，使用壽命達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。熱鍛模的磨損失效是一個(gè)熱（溫度）—力（摩擦力）—化學(xué)介質(zhì)（潤(rùn)滑劑）等多因素長(zhǎng)時(shí)間共同作用造成的非線性動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，結(jié)合模具失效形式，現(xiàn)有的磨損理論不能清晰地解釋模具零件的摩擦磨損行為，必須從模具失效行為進(jìn)行分析，剖析其失效機(jī)理，揭示元素?cái)U(kuò)散行為對(duì)模具性能的影響，針對(duì)模具不同的使用工況制備特定元素及成分的涂層擴(kuò)散，對(duì)延長(zhǎng)模具使用壽命、提高鍛件市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義。

1 熱鍛模失效概述

熱鍛模的模膛起成形鍛件的作用，與熾熱的坯料直接接觸，受脈沖式熱負(fù)荷、鍛壓設(shè)備施加的高能量沖擊載荷、金屬坯料流動(dòng)的沖刷及環(huán)境介質(zhì)的影響，最終導(dǎo)致模膛部分出現(xiàn)不可修復(fù)的損傷，即為鍛模失效。在模具零件加工質(zhì)量正常及操作規(guī)范的情況下，這種失效稱為正常失效。當(dāng)模具未達(dá)到設(shè)計(jì)的使用壽命時(shí)，稱之為模具的非正常失效，即早期失效。早期失效主要有模體脆性斷裂、模膛壓塌和局部嚴(yán)重磨損等[5]。即使是一批同樣的模具也不可能完全以同一種形式失效，經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，某企業(yè)成形同一種鋼質(zhì)活塞裙的模具，有的模具零件出現(xiàn)嚴(yán)重磨損，有的以模膛部分?jǐn)嗔讯?，而且存在不同的裂源部位。?jù)相關(guān)資料顯示，在上述失效形式中，磨損失效所占的比例最大，熱鍛模磨損失效為70%左右；其次為裂紋失效，為20%左右；由塑性變形和疲勞導(dǎo)致的失效為10%左右。

2 熱鍛模的磨損

磨損并非材料的屬性，而是由于物體或零件相互接觸并發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，依靠機(jī)械和化學(xué)的作用致使表面物質(zhì)不斷去除的過(guò)程，一般認(rèn)為這種行為是有害的，但事實(shí)并非如此，如新機(jī)器磨合、磨削加工都是磨損過(guò)程[6]。熱鍛行業(yè)中由于磨損在生產(chǎn)應(yīng)用中具有廣泛且重要的實(shí)際意義，應(yīng)重視對(duì)鍛模磨損的研究。

熱負(fù)荷和機(jī)械載荷被視為影響熱鍛模使用壽命的根本因素，模膛和鍛件表面接觸方式是影響熱鍛模磨損的主要因素。在熱力耦合作用下，模膛表面的磨損情況復(fù)雜，熱鍛模磨損至今尚無(wú)統(tǒng)一而準(zhǔn)確的定義。根據(jù)研究認(rèn)為按照不同的磨損機(jī)理分類比較合適，將磨損分為4個(gè)基本類型：磨粒磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。雖然分類并不完善，但概括了各種常見(jiàn)的磨損形式[7]。對(duì)于與熾熱金屬直接接觸的熱鍛模，其磨損現(xiàn)象包含許多復(fù)雜的過(guò)程，不僅是一種磨損機(jī)理在起作用，而是從一種形式到另一種形式的轉(zhuǎn)化，或是多種磨損機(jī)理耦合下的結(jié)果。隨著工況條件的變化，不同形式磨損的主次不同，僅從表面現(xiàn)象的角度對(duì)磨損形式進(jìn)行分類，對(duì)解決工程問(wèn)題的意義不大。以下對(duì)熱鍛模的摩擦磨損行為進(jìn)行分析總結(jié)，除了考慮熱坯料與模具零件的交互作用外，還從應(yīng)力和原子擴(kuò)散角度加以闡述，探明其機(jī)理，減少或避免同類失效現(xiàn)象的發(fā)生，達(dá)到延長(zhǎng)模具使用壽命，提高經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的目的。

2.1 熱粘著磨損機(jī)理

熱鍛模模膛表面受坯料滑動(dòng)摩擦較大的部位，由于摩擦切應(yīng)力和熱負(fù)荷的作用，易使模膛表面產(chǎn)生熱粘著磨損。這種熱粘著磨損可認(rèn)為是在一定溫度和壓力下，坯料與模膛局部表面發(fā)生粘合，在切應(yīng)力的作用下粘合處被破壞，出現(xiàn)材料的遷移以及沿滑動(dòng)方向出現(xiàn)不同程度的劃痕，嚴(yán)重時(shí)形成溝槽。按照金屬轉(zhuǎn)移程度不同，可分為：輕微粘著、涂抹、擦傷、膠合等[8]。

即使光滑的金屬表面在微觀下也凹凸不平，存在波峰與波谷，從微觀角度解釋熱粘著磨損機(jī)理，則是2個(gè)摩擦表面接觸時(shí)，由于表面不平，實(shí)際接觸面積只有表觀面積的0.01%～0.1%，即發(fā)生微凸體之間的接觸。在一定載荷作用下，微凸體的局部壓力可能超過(guò)材料的屈服壓力，較大的接觸應(yīng)力造成表面相互嵌入，破壞了表面微觀結(jié)構(gòu)，使純金屬接觸部分形成了分子相互吸引的條件。在相對(duì)滑動(dòng)作用下，接觸點(diǎn)發(fā)生塑性變形或剪切，表層材料中的粘結(jié)相晶粒之間首先產(chǎn)生微裂紋，進(jìn)而惡化基體晶粒之間的連接狀態(tài)，弱化了晶界強(qiáng)度，使材料抗斷裂、破損能力下降，其中可能產(chǎn)生了一部分分子的轉(zhuǎn)移。磨損的產(chǎn)生則是由于原子鍵連接并不一定都在原始微觀連接處斷開(kāi)，而有可能在摩擦副中較弱的表面層附近斷開(kāi)，使材料從摩擦副一方到另一方的轉(zhuǎn)移[9]。隨著2個(gè)摩擦表面溫度升高，接觸點(diǎn)不斷出現(xiàn)粘著-剪斷-再粘著-再剪斷的循環(huán)過(guò)程，這就形成粘著磨損。

材料的轉(zhuǎn)移主要是小塊坯料金屬轉(zhuǎn)移、粘結(jié)在模具零件表面，繼而形成堅(jiān)硬的小瘤，并在坯料表面形成劃痕、擦傷以及粘合點(diǎn)被撕裂的痕跡。進(jìn)一步滑動(dòng)時(shí)，由于存在摩擦，使轉(zhuǎn)移到模具零件表面上的材料脫落，形成磨粒，粘著磨損開(kāi)始轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。對(duì)于熱鍛?？刹扇∵m當(dāng)降低表面粗糙度、改善潤(rùn)滑條件、加強(qiáng)冷卻以降低表面溫度等方法來(lái)提高抗粘著能力。

2.2 磨料磨損機(jī)理

磨料磨損是相互摩擦引起表面材料損失的現(xiàn)象，硬質(zhì)顆粒（塵埃、金屬屑、氧化物等）夾雜在坯料與模具零件接觸面之間，刮擦模具零件表面引起材料脫落的現(xiàn)象以及坯料塑性流動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的犁削力引起的模具損傷，均屬于磨粒磨損。

從微觀方面解釋磨粒磨損機(jī)理：機(jī)加工的熱鍛模模膛表面必然存在一定的粗糙度，當(dāng)模具工作過(guò)程中，變形坯料在載荷作用下與模膛表面緊密貼合。由于高溫變形坯料的流動(dòng)應(yīng)力比模具零件材料表面強(qiáng)度低，在接觸面的正壓力作用下，坯料與模具零件之間硬質(zhì)粒子或硬質(zhì)材料的微小突出部分壓入較軟的坯料中，并由于相對(duì)滑動(dòng)產(chǎn)生微切削作用，使坯料的體積或質(zhì)量微量減少，在成形坯料表面出現(xiàn)微切削劃痕。在熱負(fù)荷作用下，模膛表面受熱發(fā)生軟化，硬質(zhì)粒子也會(huì)在模具零件側(cè)產(chǎn)生微切削劃痕，對(duì)模具零件產(chǎn)生損傷。另一方面，坯料同模膛接觸面間的材料被壓入到模膛面微凸體的間隙內(nèi)，當(dāng)坯料繼續(xù)在載荷作用下變形時(shí)，模膛表面微凸體間隙內(nèi)的坯料由于受到模膛表面微凸體的阻擋而被切下，而模膛表面微凸體在切削變形坯料的同時(shí)，變形金屬會(huì)對(duì)微凸體產(chǎn)生一定的切向磨損，使模膛表面材料產(chǎn)生損耗，即產(chǎn)生磨粒磨損。

磨料磨損機(jī)理是屬于磨料的機(jī)械作用，這種機(jī)械作用與磨料的性質(zhì)、形狀及尺寸大小、固定的程度以及載荷作用下磨料與被磨材料表面的力學(xué)性能有關(guān)。磨料的種類繁多，凡是在摩擦過(guò)程中起到摩擦介質(zhì)的一切物質(zhì)均可稱為磨料，如鍛造毛坯的氧化皮、鍛模的氧化膜、落到模膛中的粉塵以及鍛造潤(rùn)滑劑的固體粒子等。

2.3 高溫氧化磨損機(jī)理

空氣中金屬表面存在一層氧化膜，坯料在成形過(guò)程中，表面材料與周?chē)橘|(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一層氧化膜附在坯料表面。當(dāng)發(fā)生摩擦?xí)r，接觸點(diǎn)表面的氧化膜被破壞脫落，新露出的金屬表面會(huì)立即形成新的氧化膜，而當(dāng)遇到第2個(gè)凸峰時(shí)，新的氧化膜又被破壞脫落，氧化膜如此反復(fù)形成又反復(fù)脫落造成了表面材料的不斷損耗，這種在機(jī)械作用下引起的表面材料損失的現(xiàn)象就是高溫氧化磨損，也是熱鍛過(guò)程廣泛存在的一種磨損形式。

溫度不同，坯料表面的氧化皮成分也不一樣，一般 Fe有 3 種類型的氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4。FeO的形成在570℃以上，F(xiàn)e3O4的形成穩(wěn)定在200～570℃，F(xiàn)e2O3在200℃以下形成。在較低的環(huán)境溫度（200℃以下），氧的擴(kuò)散速度較低，摩擦面薄而致密的氧化膜不足以保護(hù)磨損表面，磨損主要以粘著磨損為主。隨著溫度的升高，氧化層阻止了金屬接觸導(dǎo)致的粘著磨損，對(duì)金屬表面起到保護(hù)作用。溫度高于400℃后，氧化層在外力作用下易剝落，剝落的氧化層會(huì)增大磨損速率，導(dǎo)致摩擦系數(shù)增加，但是隨著溫度的升高，表面氧化物增加，磨損率明顯降低。磨損過(guò)程中，不斷重復(fù)氧化和氧化層疲勞剝落，形成動(dòng)態(tài)平衡過(guò)程，剝落的氧化層一部分離開(kāi)摩擦系統(tǒng)，造成磨損，另一部分被碾壓在剝落區(qū)，一定程度上降低磨損率。

2.4 高溫?cái)U(kuò)散磨損機(jī)理

高溫高壓下，熱鍛模與熱坯料表面的材料發(fā)生相互擴(kuò)散，模具零件表層材料退化，表面合金元素重新分布，局部表面合金元素的降低，使相應(yīng)部位的硬度、耐磨性、熱強(qiáng)度下降，縮短模具使用壽命。

刀具切削加工過(guò)程因具有切削力大、切削溫度高的特點(diǎn)，使刀具與工件接觸面之間的化學(xué)元素獲得足夠的能量，發(fā)生相互擴(kuò)散，改變刀具的化學(xué)成分，降低刀具材料的性能，使擴(kuò)散磨損成為刀具的主要磨損原因。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者從抗擴(kuò)散能力角度對(duì)刀具與加工材料之間的擴(kuò)散磨損行為進(jìn)行研究，鄭敏利等[10]認(rèn)為切削加工過(guò)程中，刀具表面溫度升高將會(huì)引起刀-屑接觸區(qū)間原子或分子的擴(kuò)散，導(dǎo)致接觸面摩擦表層材料中的結(jié)構(gòu)變化，引起材料表層物理-力學(xué)性能的改變以及摩擦性能（摩擦系數(shù)、摩擦力）和接觸面上的磨損形式發(fā)生變化等。但是，熱鍛模工作過(guò)程中除受高應(yīng)力的機(jī)械載荷反復(fù)作用外，還承受熱應(yīng)力的反復(fù)作用，通常熱鍛模在使用前需要在250～300℃預(yù)熱。模鍛時(shí)，在沖擊或靜態(tài)高壓作用下與1 200℃左右的熾熱鍛件短時(shí)間緊密接觸，模膛溫度急劇升高，局部溫度最高可達(dá)600～700℃，取出鍛件并冷卻后，模膛表面溫度迅速下降，模具始終在機(jī)械載荷和熱載荷耦合作用下工作，原子會(huì)發(fā)生頻繁擴(kuò)散。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于擴(kuò)散磨損的研究局限在刀具切削加工過(guò)程中。因韓靜濤等長(zhǎng)期從事裂紋愈合研究工作，認(rèn)為模具與熱坯料互擴(kuò)散現(xiàn)象主要是原子的相互擴(kuò)散[11,12]，并且是高溫坯料側(cè)原子的擴(kuò)散占主導(dǎo)機(jī)制，由于元素?cái)U(kuò)散作用，造成模具零件表面元素的重新分布，弱化了模具零件表面的抗磨損性能，使模具失效。不能對(duì)原子的來(lái)源進(jìn)行精準(zhǔn)區(qū)分，熱鍛模的擴(kuò)散磨損行為被研究人員忽略。

基于上述分析，擴(kuò)散磨損是熱鍛模的主要磨損機(jī)理，因此抗擴(kuò)散能力是評(píng)價(jià)熱鍛模涂層性能的主要技術(shù)指標(biāo)之一。熱鍛模涂層開(kāi)發(fā)時(shí)，應(yīng)重視涂層的擴(kuò)散阻擋作用，進(jìn)而開(kāi)發(fā)新型的涂層體系，大幅度延長(zhǎng)模具使用壽命。前期試驗(yàn)情況：對(duì)熱鍛活塞頭模具零件表面涂鍍膜層，使其使用壽命延長(zhǎng)3倍；對(duì)熱鍛活塞裙模具零件涂鍍膜層，使其使用壽命延長(zhǎng)50%；對(duì)汽車(chē)發(fā)電機(jī)爪極模具零件涂鍍膜層，使其使用壽命延長(zhǎng)1倍，最終模具零件都因?yàn)榛w疲勞而失效。熱鍛模壽命延長(zhǎng)的原因主要是模具零件與坯料接觸時(shí)，模具零件表面涂層具有高的硬度與耐磨性以及良好的抗熱震性能和比基體更優(yōu)異的紅硬性，起到阻擋原子擴(kuò)散、耐磨、隔熱的作用，延緩了模具失效。

2.5 冷熱疲勞磨損機(jī)理

熱鍛模工作條件惡劣，在高溫條件下工作時(shí)，其環(huán)境溫度并不恒定，而是急劇反復(fù)變化。溫度的反復(fù)變化在模具零件內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力，使模具零件表面產(chǎn)生細(xì)小裂紋或局部崩裂現(xiàn)象，也稱為龜裂。另外連續(xù)使用時(shí)模膛表面溫度一般均超過(guò)模具零件的回火溫度，造成高溫軟化，同時(shí)冷卻潤(rùn)滑又使模膛近表面層產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，造成裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料從表面上去除。與粘著磨損和磨料磨損不同的是，疲勞磨損不可避免。

3 熱鍛模磨損失效對(duì)策

緩解熱鍛模磨損問(wèn)題，延長(zhǎng)熱鍛模使用壽命，一是通過(guò)模具設(shè)計(jì)、材料選用和各加工工藝的優(yōu)化，使模具獲得較長(zhǎng)的使用壽命；二是任何模具的失效都是在材料的強(qiáng)度與應(yīng)力因素和環(huán)境不適應(yīng)的條件下發(fā)生的，失效模具的殘骸上必定會(huì)保留失效過(guò)程的信息。對(duì)已失效模具進(jìn)行分析，通過(guò)表面強(qiáng)化技術(shù)，針對(duì)性地強(qiáng)化模具失效部位，達(dá)到延長(zhǎng)模具使用壽命、提高服役安全性和可靠性的目的[13]。

3.1 離子滲氮/提高基體表層硬度

離子滲氮是在一定真空下，以工件為陰極，以爐壁為陽(yáng)極，通入400～900 V的直流電，氨氣被電離成為氮和氫的正離子及電子，這時(shí)工件表面會(huì)產(chǎn)生一層輝光。具有高能量的離子以較大的速度轟擊工件表面，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，使工件表面溫度升高到450～650℃，同時(shí)氮離子在工件表面獲得電子后被還原成氮原子，由于濃度差的原因，氮原子向工件內(nèi)部擴(kuò)散形成滲氮層。

離子滲氮在氮化爐中進(jìn)行，試驗(yàn)過(guò)程中通入氮?dú)夂蜌錃獾幕旌蠚怏w，氣壓保持在260～300 Pa，輝光放電電壓為650～800 V。氮化溫度為510℃，經(jīng)8 h的滲氮處理，得到的滲氮層總厚度約為0.2 mm，氮化層硬度約為1 200 HV。離子滲氮層具有較高的硬度和耐磨性，化合物保護(hù)膜降低了模具零件與坯料間的摩擦系數(shù)，同時(shí)降低了摩擦副之間的互溶性，避免了咬合的現(xiàn)象。由表1可見(jiàn)，離子滲氮處理方法延長(zhǎng)了活塞頭熱鍛模的壽命。

表1 離子氮化對(duì)活塞頭模具使用壽命的影響

3.2 PVD涂層/抑制坯料與基體元素互擴(kuò)散

多弧離子鍍是在真空條件下進(jìn)行，以工件為陰極，爐體為陽(yáng)極，引弧時(shí)，在接通電源的同時(shí)使引弧電極與靶材瞬間接觸又瞬間離開(kāi)，在離開(kāi)的瞬間，由于引弧電極和靶材間的導(dǎo)電面積迅速縮小，局部微小區(qū)域的溫度迅速升高，靶材表面出現(xiàn)一些不連續(xù)、大小和形狀多樣、明亮的斑點(diǎn)，即陰極弧斑。它們?cè)陉帢O表面迅速地做不規(guī)則游動(dòng)，一些弧斑熄滅時(shí)又有弧斑在其他部位形成，這樣持續(xù)消失和持續(xù)形成維持了電弧的燃燒。電弧燃燒產(chǎn)生大量金屬原子（如Ti），這些原子再被電離成能量較高的正離子（如Ti+），正離子在真空室內(nèi)運(yùn)行時(shí)與其他離子結(jié)合（如與N+形成TiN），沉積在工件表面形成涂層[14]。

熱鍛模在工作條件下，由于基體硬度較低，一般低于52 HRC，急冷急熱導(dǎo)致的彈塑性變形較大，模具模膛深且復(fù)雜，表面強(qiáng)化層的塌陷、剝落是影響模具使用性能的關(guān)鍵。熱作模具零件表面強(qiáng)化處理并不要求得到過(guò)高的表面硬度，但獲得的強(qiáng)化層與基體具有高的結(jié)合強(qiáng)度和相近的線膨脹系數(shù)，強(qiáng)化層也要有一定的強(qiáng)韌性和耐熱性。綜合考慮，采用離子氮化—PVD復(fù)合涂層技術(shù)，離子氮化強(qiáng)化了模具零件表層硬度，PVD涂層抑制了由濃度不同引起的坯料/基體元素互擴(kuò)散現(xiàn)象。表2所示采用離子氮化—PVD復(fù)合涂層技術(shù)，延長(zhǎng)了活塞頭模具的使用壽命。

表2 離子氮化—PVD復(fù)合涂層對(duì)活塞頭模具使用壽命的影響

4 結(jié)束語(yǔ)

研究磨損的目的在于通過(guò)對(duì)各種磨損現(xiàn)象進(jìn)行分析，找出其變化規(guī)律和影響因素，尋求控制磨損和提高抗磨損性能的措施。熱鍛模的工作條件較為復(fù)雜和惡劣，1副模具在使用過(guò)程中存在多種損傷形式，這些損傷相互作用、相互促進(jìn)，最后表現(xiàn)一種或多種形式的失效，因此需要對(duì)模具零件的基本失效形式和機(jī)理進(jìn)行剖析和研究。基于擴(kuò)散磨損理論開(kāi)發(fā)的熱鍛模PVD擴(kuò)散阻擋涂層，通過(guò)不同合金元素的調(diào)配，制備具有良好阻擋擴(kuò)散效果又兼具優(yōu)良力學(xué)性能的涂層，延長(zhǎng)了模具使用壽命，驗(yàn)證了擴(kuò)散磨損理論的正確性。