經(jīng)離子滲氮的SDCM鋼熱沖壓模具的摩擦磨損行為

李奇穎 吳博雅 楊子帥 黎軍頑

（1.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444；2.上海大學(xué)省部共建高品質(zhì)特殊鋼冶金與制備國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200444）

熱沖壓成形解決了高強(qiáng)鋼板難以冷沖壓成形及沖壓后零件回彈等問(wèn)題，在汽車(chē)生產(chǎn)中應(yīng)用日益廣泛［1-4］。熱沖壓模具的主要失效形式之一是磨損［5-8］。實(shí)際生產(chǎn)中，模具被磨損后，通常進(jìn)行滲氮處理以提高其表面硬度和耐磨性，從而仍可繼續(xù)使用一段時(shí)間［9-12］。

國(guó)內(nèi)外在滲氮對(duì)模具鋼耐磨性的影響方面進(jìn)行了很多研究。Zhao等［13］研究了經(jīng)離子滲氮的H13鋼在不同溫度的耐磨性，確定了其磨損機(jī)制。李春紅等［14］發(fā)現(xiàn)，滲氮的718H模具鋼的磨損機(jī)制為磨粒磨損而不是疲勞磨損。Leite等［8］研究了經(jīng)脈沖等離子滲氮的H13鋼的組織和磨損機(jī)制，結(jié)果表明磨損量與滲氮時(shí)間成反比。施淵吉等［15］基于Archard理論，采用有限元方法研究了模具的磨損行為，結(jié)果表明經(jīng)離子滲氮的模具壽命提高了5.5倍。

本文對(duì)SDCM鋼熱沖壓模具進(jìn)行了離子滲氮，檢測(cè)了滲層的表面硬度、深度和顯微組織，并在200和300℃進(jìn)行了摩擦磨損試驗(yàn)，揭示了其磨損機(jī)制。此外還建立了Archard摩擦磨損模型，采用有限元方法研究了未滲氮和經(jīng)離子滲氮的SDCM鋼模具熱沖壓汽車(chē)A柱時(shí)的磨損行為，并預(yù)測(cè)了模具的使用壽命，以期為熱沖壓生產(chǎn)提供參考。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用SDCM鋼為新型熱沖壓模具鋼，其化學(xué)成分如表1所示。對(duì)試驗(yàn)用鋼進(jìn)行1 080℃真空油淬和580℃ ×2 h回火兩次，硬度為53 HRC。

表1 研究用SDCM鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical composition of the investigated SDCM steel（mass fraction） %

1.2 試驗(yàn)方法

采用脈沖電源輝光離子滲氮爐進(jìn)行離子滲氮。滲氮介質(zhì)為氨氣，其流量為600 mL/min；滲氮溫度530℃，爐壓480 Pa，時(shí)間8 h。采用光學(xué)顯微鏡檢測(cè)滲氮層厚度及顯微組織，采用X射線衍射儀表征滲層物相，采用顯微硬度計(jì)測(cè)量滲層的表面硬度和硬度梯度。

采用BRUNKER UMT-3型多功能高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)分別在200和300℃進(jìn)行球-平面線性往復(fù)式干摩擦磨損試驗(yàn)，試樣尺寸為31.8 mm×16.0 mm×4.1 mm，試驗(yàn)力20 N，頻率50 Hz，摩擦行程10 mm，時(shí)間60 min，總滑行距離360 m；采用精度為0.1 mg的天平稱(chēng)量試樣磨損失重并計(jì)算磨損率；采用掃描電子顯微鏡對(duì)摩擦磨損試驗(yàn)后試樣的磨損面進(jìn)行表征。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 滲氮結(jié)果

圖1為離子滲氮8 h的SDCM鋼的滲層組織。從圖1可以看出，滲氮層由化合物層即白亮層和擴(kuò)散層組成，擴(kuò)散層厚度為250 μm，化合物層厚度為12 μm。致密均勻的白亮層硬度高，有利于提高模具的耐磨性［16］。

圖1 SDCM鋼離子滲氮層的微觀組織Fig.1 Microstructure of the ion nitrided layer of SDCM steel

對(duì)滲氮的SDCM鋼橫截面進(jìn)行線掃描，氮含量的變化如圖2所示。從圖2可以看出，在滲層80～120 μm區(qū)域氮含量最高，隨后逐漸降低，在距表面160 μm以下的區(qū)域趨于平穩(wěn)。

圖2 SDCM鋼離子滲氮層的線掃描（a）和氮分布（b）Fig.2 Linear scanning（a）and nitrogen distribution（b）across the ion nitrided layer of SDCM steel

圖3為滲氮的SDCM鋼的X射線衍射圖譜。由圖3可知，離子滲氮的SDCM鋼滲層中生成了ε-Fe3N和γ′-Fe4N相，且ε-Fe3N相的峰強(qiáng)明顯大于γ′-Fe4N相。

圖3 離子滲氮的SDCM鋼的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of the ion nitrided SDCM steel

SDCM鋼滲氮層的硬度梯度如圖4所示。由圖4可知，離子滲氮的SDCM鋼表面最高硬度達(dá)1 023 HV0.2，距表面200 μm以上部位的硬度梯度逐漸平緩。未滲氮的SDCM鋼表面硬度約為573 HV0.2，滲氮處理使SDCM鋼表面硬度大幅度提高，是未滲氮SDCM鋼的132%。

圖4 SDCM鋼離子滲氮層的硬度梯度Fig.4 Hardness gradient in the ion nitrided layer of SDCM steel

2.2 高溫摩擦磨損性能

圖5為未滲氮和離子滲氮的SDCM鋼在不同溫度的摩擦因數(shù)隨摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化。由圖5可知：在200℃摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，滲氮與未滲氮的SDCM鋼的平均摩擦因數(shù)約為0.55和0.42，經(jīng)離子滲氮的鋼的平均摩擦因數(shù)小于未滲氮的鋼，如圖5（a）所示；在300℃摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，滲氮與未滲氮的SDCM鋼的摩擦因數(shù)很接近，其平均摩擦因數(shù)均約為0.4，表明離子滲氮的SDCM鋼在200～300℃的摩擦因數(shù)變化不大，但小于未滲氮的SDCM鋼，耐磨性更好。

圖5 未滲氮和離子滲氮的SDCM鋼的摩擦因數(shù)隨在200（a）和300℃（b）摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.5 Variation of friction coefficient of the non-nitrided and ion nitrided SDCM steel with duration of friction-wear test at 200（a）and 300 ℃（b）

為了定量分析經(jīng)離子滲氮的SDCM鋼的耐磨性，用電子天平測(cè)量磨損試驗(yàn)前后試樣的磨損質(zhì)量損失，按式（1）計(jì)算磨損率：

式中：V為磨損體積；ρ為鋼的密度；P為載荷；d為總滑行距離；Ws為磨損率。滲氮和未滲氮的SDCM鋼在200和300℃摩擦磨損試驗(yàn)后的質(zhì)量損失和磨損率如表2所示。由表2可知，隨著試驗(yàn)溫度的提高，滲氮和未滲氮的鋼的磨損質(zhì)量損失和磨損率均增大。此外，試驗(yàn)溫度相同，經(jīng)離子滲氮的SDCM鋼的磨損質(zhì)量損失和磨損率均小于未滲氮的SDCM鋼，表明離子滲氮有效提高了鋼的高溫耐磨性能。

表2 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼試樣的磨損質(zhì)量損失和磨損率Table 2 Wear mass loss and wear rate of the ionnitrided and non-nitrided SDCM steel samples

圖6為滲氮和未滲氮的SDCM鋼磨損面的掃描電子顯微鏡照片。圖6（a）為離子滲氮的SDCM鋼在200℃摩擦磨損試驗(yàn)后的表面形貌，較平整，可觀察到沿滑移方向的平行均勻且細(xì)小的犁溝痕跡，表明發(fā)生了磨粒磨損；在300℃試驗(yàn)后，滲氮的SDCM鋼摩擦面可觀察到沿滑移方向的犁溝和氧化物顆粒，說(shuō)明發(fā)生了磨粒磨損和輕微的氧化磨損，如圖6（b）所示。圖6（a，b）表明，在試驗(yàn)溫度范圍內(nèi)，溫度的升高對(duì)滲氮的SDCM鋼耐磨性的影響較小。由圖6（c）可知，在200℃試驗(yàn)后，未滲氮的SDCM鋼的摩擦面較粗糙，有塊狀氧化層和剝落坑及較少的犁溝，顯示為粘著磨損；在300℃試驗(yàn)后，SDCM鋼發(fā)生了粘著磨損和明顯的氧化磨損，氧化層面積增大，如圖6（d）所示。

圖6 在200（a，c）和300 ℃（b，d）摩擦磨損試驗(yàn)后離子滲氮（a，b）和未滲氮（c，d）的SDCM鋼試樣表面的掃描電子顯微鏡形貌Fig.6 Scanning electron micrographs of the ion nitrided （a，b）and the non-nitrided（c，d）SDCM steel samples after friction-wear tests at 200（a，c）and 300 ℃（b，d）

3 熱沖壓模具磨損行為的數(shù)值模擬

Archard磨損模型是目前應(yīng)用最廣泛的磨損計(jì)算模型［17-19］，被用于分析模具的磨損行為，其一般表達(dá)式為：

式中：V為磨損體積；K為磨損量與工件和模具間的磨損系數(shù)；F為模具表面壓力；L為模具與工件間的相對(duì)滑動(dòng)距離；H為模具硬度。采用上述方法并結(jié)合高溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果，可以確定滲氮和未滲氮的SDCM鋼在200和300℃的磨損系數(shù)K 分別為2.78×10－6和4.03×10－6，以及3.70×10－6和7.07×10－6。為研究離子滲氮對(duì)熱沖壓模具磨損行為的影響，選擇汽車(chē)A柱的頭部作為研究對(duì)象，如圖7所示。根據(jù)Archard磨損模型建立熱沖壓過(guò)程的熱-力耦合數(shù)值分析模型。在熱沖壓過(guò)程中，坯料和模具的初始溫度分別為800和25℃，沖壓速度為200 mm/s，板料與模具之間的摩擦因數(shù)為0.3，成形時(shí)間為0.65 s，冷卻流道內(nèi)水流速率為4 m/s。研究離子滲氮對(duì)模具磨損行為的影響時(shí)，僅改變模具的硬度和磨損系數(shù)，其他熱沖壓成形參數(shù)保持不變。

圖7 熱沖壓汽車(chē)A柱頭部的有限元模型Fig.7 Finite element model for hot-stamping automobile A-pillar head

4 結(jié)果與分析

圖8為熱沖壓汽車(chē)A柱頭部過(guò)程中滲氮與未滲氮SDCM鋼模具凸模的磨損量分布云圖，為便于對(duì)比，僅顯示出了模具磨損深度大于2×10－6mm的部位。由圖8可知，隨著熱沖壓次數(shù)的增加，模具的磨損部位主要集中在模具側(cè)壁。熱沖壓過(guò)程中，離子滲氮的SDCM鋼模具的磨損深度明顯小，顯示出更佳的耐磨性。圖9為15次熱沖壓汽車(chē)A柱頭部過(guò)程中凸模側(cè)壁截面的磨損形貌。由圖9可知，未滲氮的SDCM鋼模具該部位的被磨損區(qū)域較滲氮的SDCM鋼模具的大，且更深。圖10為15次熱沖壓汽車(chē)A柱頭部過(guò)程中滲氮與未滲氮SDCM鋼凸模的最大磨損深度。由圖10可知，熱沖壓過(guò)程中未滲氮的SDCM鋼模具的最大磨損深度增量大于經(jīng)離子滲氮的SDCM鋼模具，且磨損速度明顯更大。熱沖壓15次汽車(chē)A柱頭部后，未滲氮的SDCM鋼凸模的最大磨損深度達(dá)到了5.9×10－5mm，而離子滲氮的SDCM鋼模具的最大磨損深度僅為3.2×10－5mm，離子滲氮使模具的磨損深度減少了約50%，磨具使用壽命可提高約2倍。

圖8 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼模具磨損深度隨熱沖壓汽車(chē)A柱頭部次數(shù)變化的云圖Fig.8 Patterns of variation of wearing depth of the ion nitrided and the non-nitrided SDCM steel dies with the number of hot stamping automobile A-pillar head

圖9 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼凸模截面磨損深度隨熱沖壓汽車(chē)A柱頭部次數(shù)變化的云圖Fig.9 Patterns of variation of wearing depth of the ion nitrided and the non-nitrided SDCM steel terrance die sections with the number of hot stamping automobile A-pillar head

圖10 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼凸模熱沖壓汽車(chē)A柱頭部1～15次后的最大磨損深度Fig.10 Maximum wearing depths of the ion nitrided and the non-nitrided SDCM steel terrance dies after hot stamping automobile A-pillar head 1 to 15 times

5 結(jié)論

（1）經(jīng)離子滲氮的SDCM鋼滲層表面為連續(xù)致密的ε-Fe3N和γ′-Fe4N氮化物層，滲層厚度約250 μm，表面硬度達(dá)1 023 HV0.2，比未滲氮的SDCM鋼提高了132%。

（2）與未滲氮的SDCM鋼相比，離子滲氮的SDCM鋼的摩擦因數(shù)和磨損率均顯著下降，離子滲氮明顯改善了SDCM鋼的高溫耐磨性。

（3）在熱沖壓汽車(chē)A柱頭部的過(guò)程中，模具的磨損主要發(fā)生在模具側(cè)壁；離子滲氮的SDCM鋼模具在熱沖壓汽車(chē)A柱頭部的過(guò)程中，磨損深度和磨損速度明顯減小，使用壽命約提高2倍，顯示出了優(yōu)異的耐磨性。