鉬鎢熱作模具鋼的高溫摩擦磨損機(jī)制

李 爽 張 倫 吳曉春

（1.河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué)科研處，河北石家莊 050092；2.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444）

熱作模具鋼廣泛用于制作壓鑄模、熱擠壓模、熱剪切模、精密鍛造模等在承受沖擊力和急冷條件下使用的模具［1-3］，使用中其表面溫度會(huì)由于受到強(qiáng)烈的摩擦而進(jìn)一步升高。高溫磨損是熱作模具的主要失效形式之一［4-6］，因而高溫摩擦磨損性能是評(píng)定熱作模具鋼性能的關(guān)鍵指標(biāo)。

Eyre［7］對(duì)金屬的磨損進(jìn)行了詳細(xì)研究，指出金屬的耐磨性不是其固有的特性，還受到摩擦副性質(zhì)及環(huán)境等因素的影響。材料的耐磨性與摩擦機(jī)制有關(guān)，輕微的摩擦導(dǎo)致輕微磨損，反之則發(fā)生嚴(yán)重磨損。Wang等［8-10］對(duì)H13熱作模具鋼在400℃的高溫摩擦磨損行為進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究，探討了鋼的高溫摩擦磨損機(jī)制以及氧化膜形態(tài)等。但是近年來(lái)對(duì)熱作模具鋼的研究多集中在表面改性及熱處理工藝優(yōu)化等方面，對(duì)高溫摩擦磨損機(jī)制的研究較少。

本文對(duì)一種新型鉬鎢熱作模具鋼進(jìn)行了高溫下的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度為400～700℃。檢測(cè)了高溫下的摩擦副摩擦因數(shù)、模具鋼磨損率、磨損表面和截面的微觀形貌、相組成及成分和硬度等，以揭示試驗(yàn)鋼的高溫磨損機(jī)制。

1 試驗(yàn)材料與方法

試驗(yàn)鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）為0.37C，4.30Mo，1.70W，0.96Cr，0.10Si，0.15Mn。摩擦試塊的尺寸為10 mm×10 mm×36 mm，熱處理工藝為1 030℃真空油淬，580℃ ×2 h回火2次，組織為回火馬氏體，硬度50 HRC。對(duì)磨材料為碳化硅陶瓷球。

高溫摩擦磨損試驗(yàn)在Bruker UMT-3型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 高溫摩擦磨損試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Parameters of the high-temperature friction-wear test

摩擦因數(shù)通過(guò)試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)采集；采用Bruker Contour GT-K型光學(xué)輪廓儀測(cè)定材料的磨損體積，磨損率按式（1）計(jì)算：

式中：V為磨損體積，mm3；p為試驗(yàn)力，N；d為總滑行距離，m。

將摩擦磨損試驗(yàn)后的試樣沿垂直于摩擦方向剖開(kāi)并制備金相試樣，采用Zeiss Supra40型掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）觀察試樣磨損表面和截面形貌；采用Oxford能譜儀（EDS，energy dispersive spectroscopy）對(duì)摩擦表面進(jìn)行線掃描分析；采用D／max-2550型X射線衍射儀（XRD，X-ray diffractometer）對(duì)試樣磨損面進(jìn)行物相分析；采用MH-3型顯微硬度計(jì)測(cè)定試樣表層硬度梯度。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 摩擦因數(shù)與磨損率

圖1為試驗(yàn)鋼在不同溫度的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化。當(dāng)試驗(yàn)溫度為400和500℃時(shí)，鋼的摩擦因數(shù)為0.45～0.65；試驗(yàn)溫度為600℃時(shí)，摩擦因數(shù)為0.35～0.60；試驗(yàn)溫度為700℃時(shí)，鋼的摩擦因數(shù)基本穩(wěn)定在0.40左右。整體上看，隨著試驗(yàn)溫度的提高，試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)降低，波動(dòng)幅度也減小。

圖1 試驗(yàn)鋼在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)的摩擦因數(shù)隨試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.1 Friction coefficient of the investigated steel as a function of test time during friction-wear tests at different temperatures

圖2為試驗(yàn)鋼在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后的磨損率。從圖2可以看出，在400和500℃摩擦磨損試驗(yàn)后，試驗(yàn)鋼的磨損率均較低，為（1～2）×10-14m3／（N·m），在500℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼的磨損率略低于400℃試驗(yàn)的鋼。試驗(yàn)溫度升高至600℃時(shí)，磨損率顯著增大至7×10-14m3／（N·m），約增加了3倍；當(dāng)試驗(yàn)溫度進(jìn)一步升高至700℃時(shí)，鋼的耐磨性嚴(yán)重惡化，磨損率增大至24×10-14m3／（N·m），約為400℃試驗(yàn)時(shí)的10倍。可見(jiàn)試驗(yàn)溫度不同，試驗(yàn)鋼的耐磨性差異很大。

圖2 在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后試驗(yàn)鋼的磨損率Fig.2 Wear rates of the investigated steel after friction-wear tests at different temperatures

2.2 截面形貌和氧化層

圖3為試驗(yàn)鋼在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后磨損面的SEM形貌及EDS線掃描結(jié)果。當(dāng)試驗(yàn)溫度為400℃時(shí)，摩擦氧化層厚度約為1 μm，與基體結(jié)合緊密且有明顯的界面，界面附近從基體到氧化層再到鑲嵌層，氧元素峰先升高后下降（見(jiàn)圖3（a））；試驗(yàn)溫度為500℃時(shí)，氧化層厚度約為1.5 μm，界面處氧元素峰未迅速上升（見(jiàn)圖3（b））；試驗(yàn)溫度為600℃時(shí)，氧化層厚度約為8 μm，與基體結(jié)合處（或界面）有疏松，氧化層也明顯破裂（見(jiàn)圖3（c））；試驗(yàn)溫度為700℃時(shí)，氧化層厚度約為12 μm，嚴(yán)重分層和折疊，有部分氧化層嵌入基體（見(jiàn)圖3（d））。

圖3 試驗(yàn)鋼在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后磨損面的SEM形貌及EDS線掃描結(jié)果Fig.3 SEM morphologies and EDS linear scanning results of worn surface of the investigated steel after friction-wear tests at different temperatures

由以上試驗(yàn)結(jié)果可知，在摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中，試驗(yàn)鋼發(fā)生了氧化磨損，磨損表面形成了摩擦氧化層；隨著試驗(yàn)溫度的升高，摩擦氧化層逐漸增厚，磨損機(jī)制主要是氧化磨損；400和500℃試驗(yàn)產(chǎn)生的氧化層均較薄，600℃試驗(yàn)時(shí)氧化層迅速增厚，700℃試驗(yàn)產(chǎn)生的氧化層更厚。

2.3 磨損表面形貌與物相

圖4為試驗(yàn)鋼在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后的表面SEM形貌。在400℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼的磨損表面形成了摩擦氧化物，并在試驗(yàn)過(guò)程中被擠壓而聚集，摩擦表面有塊狀摩擦氧化層；此外，還可以看到磨損表面出現(xiàn)了與摩擦方向同向的犁溝，如圖4（a）所示。在500℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼的磨損表面，塊狀摩擦氧化層覆蓋面積增大，還有少量的大尺寸白色氧化物顆粒，如圖4（b）所示。在600℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼磨損表面具有較明顯的犁溝特征，局部區(qū)域氧化層破裂脫落形成凹坑，其余區(qū)域光滑，如圖4（c）所示。試驗(yàn)溫度進(jìn)一步升高到700℃，試驗(yàn)鋼磨損表面的形貌與600℃試驗(yàn)后的類似，較為光滑，只有少量的氧化層凹坑，但犁溝凹凸程度加劇且較深，兩側(cè)明顯隆起，如圖4（d）所示。

圖4 在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后的試驗(yàn)鋼的表面SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of the surface of the investigated steel after friction-wear tests at different temperatures

圖5為試驗(yàn)鋼在700℃摩擦磨損試驗(yàn)后的XRD圖譜，可以看出磨損表面主要含有Fe2O3和Fe3O4兩種氧化物，以Fe2O3為主。而Fe的衍射峰強(qiáng)度較低，說(shuō)明磨損表面已發(fā)生嚴(yán)重氧化，形成了較多氧化物。

圖5 試驗(yàn)鋼在700℃摩擦磨損試驗(yàn)后的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the investigated steel after friction-wear test at 700℃

2.4 截面硬度

圖6為在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后試驗(yàn)鋼表層硬度分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)鋼磨損面以下的表層硬度隨著與表面距離的增大而提高，離表面越近，硬度越低。這是溫度和應(yīng)力的共同作用使表層軟化所致［7-9］。當(dāng)摩擦磨損試驗(yàn)溫度為400和500℃時(shí)，試驗(yàn)鋼的硬度幾乎為試驗(yàn)前的硬度，約490～505 HV30；600℃試驗(yàn)后硬度明顯下降，約為310～460 HV30；700℃試驗(yàn)的鋼，基體硬度約為290 HV30，說(shuō)明鋼明顯軟化。

圖6 在不同溫度摩擦磨損試驗(yàn)后試驗(yàn)鋼表層硬度分布Fig.6 Hardness distribution in case of the investigated steels after friction-wear tests at different temperatures

3 討論

從上述試驗(yàn)結(jié)果可知，試驗(yàn)鋼在高溫摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了氧化磨損，而且隨著試驗(yàn)溫度的升高，氧化磨損加劇；氧化層厚度隨試驗(yàn)溫度的升高而增厚。由于氧化層具有減摩作用［12］，所以摩擦因數(shù)隨著試驗(yàn)溫度的升高而減小。在400和500℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼，摩擦氧化層較薄且厚度相差不大，分別約為1.0和1.5 μm。在600和700℃試驗(yàn)的鋼，摩擦氧化層厚度分別約為8和12 μm，即在400和500℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼摩擦因數(shù)均較大，而600℃試驗(yàn)的鋼摩擦因數(shù)下降較大，而700℃試驗(yàn)的鋼摩擦因數(shù)下降更明顯。由圖4可知，在400和500℃試驗(yàn)的鋼磨損表面較粗糙，導(dǎo)致摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度較大。在600和700℃試驗(yàn)的鋼磨損面則較光滑，所以摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度較小。

由試驗(yàn)鋼的磨損率和摩擦表層SEM形貌及硬度分布可知，摩擦氧化物具有一定的減磨作用，導(dǎo)致材料磨損率降低。當(dāng)材料基體硬度較高時(shí)，在摩擦磨損試驗(yàn)過(guò)程中變形程度較小，能減少摩擦氧化膜的破裂和剝落，有利于摩擦氧化層的形成，從而提高材料的耐磨性。但當(dāng)材料基體硬度較低時(shí)，在摩擦磨損試驗(yàn)中變形較大，導(dǎo)致摩擦氧化層生長(zhǎng)到一定厚度后與基體剝離，材料的磨損率增大［13-14］。由于試驗(yàn)鋼中碳化物主要是鉬和鎢的碳化物，試驗(yàn)溫度低于600℃時(shí)，鉬鎢系碳化物聚集長(zhǎng)大不明顯。但當(dāng)試驗(yàn)溫度超過(guò)600℃時(shí)，鉬和鎢的碳化物易于長(zhǎng)大粗化，形成大顆粒碳化物，材料快速軟化，極易惡化試驗(yàn)鋼的高溫耐磨性［15］。

摩擦磨損試驗(yàn)溫度400和500℃均低于鋼的回火溫度580℃，試驗(yàn)鋼具有良好的抗回火軟化性能，基體硬度僅比試驗(yàn)前稍有降低，影響磨損率的因素主要是摩擦氧化層的厚度［16］。500℃試驗(yàn)的鋼的摩擦氧化層厚度大于400℃試驗(yàn)的鋼，能提高耐磨性，試驗(yàn)鋼在500℃試驗(yàn)后的磨損率比400℃試驗(yàn)后的小。試驗(yàn)溫度600℃高于鋼的回火溫度580℃，摩擦磨損試驗(yàn)后基體硬度下降明顯，雖然摩擦氧化層厚度增大，但試驗(yàn)鋼基體硬度大幅度降低，成為影響磨損率的主要因素。與400和500℃摩擦磨損試驗(yàn)相比，600℃試驗(yàn)后的鋼磨損率明顯上升。700℃試驗(yàn)的鋼基體硬度大幅度下降至約290 HV30，而摩擦氧化層厚度與600℃試驗(yàn)的鋼差別不大，因此700℃試驗(yàn)的鋼基體硬度是影響磨損率的主要因素，鋼的磨損率顯著增大。

從材料的摩擦磨損機(jī)制看，摩擦磨損試驗(yàn)溫度較低如400℃時(shí)，試驗(yàn)鋼表面有塊狀和顆粒狀摩擦氧化物及梨溝，氧化磨損、磨粒磨損與黏著磨損共存，但生成的摩擦氧化物較少，以黏著磨損為主。500℃試驗(yàn)時(shí)，摩擦氧化物增多，并形成大量塊狀摩擦氧化物，能有效保護(hù)基體，因此磨損率低于400℃試驗(yàn)的鋼，磨損機(jī)制為氧化磨損與黏著磨損共存，但以氧化磨損為主，材料發(fā)生輕微氧化磨損［7］。在600℃及以上溫度試驗(yàn)后，材料氧化嚴(yán)重，形成了大量摩擦氧化物，但由于基體軟化明顯，磨損率明顯增大，發(fā)生了嚴(yán)重的氧化磨損［9-10］。

4 結(jié)論

（1）溫度是影響試驗(yàn)用鉬鎢熱作模具鋼摩擦磨損性能的重要因素。隨著試驗(yàn)溫度的提高，氧化層增厚，摩擦因數(shù)減小。試驗(yàn)鋼500℃時(shí)的磨損率最小，600和700℃時(shí)的磨損率明顯增大。

（2）氧化層的浸潤(rùn)對(duì)試驗(yàn)鋼的摩擦因數(shù)有很大影響，氧化層浸潤(rùn)作用的大小主要決定于其厚度。

（3）氧化層厚度和截面硬度決定了磨損率大小，碳化物類型決定了試驗(yàn)鋼的抗高溫軟化性能，在400和500℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼仍保持較高的基體硬度，摩擦氧化層厚度是影響材料耐磨性的主要因素。在600和700℃摩擦磨損試驗(yàn)的鋼表層硬度梯度是影響磨損率的主要因素。

（4）試驗(yàn)鋼的高溫磨損機(jī)制包含氧化磨損、粘著磨損和磨粒磨損，隨著試驗(yàn)溫度的升高，氧化磨損成為主要的磨損機(jī)制。