Cr12MoV 模具鋼滲氮層服役過程中不同磨損階段的摩擦學(xué)特性

何曉榮，黎秋萍,b，劉少鵬，沈明學(xué),b

（華東交通大學(xué) a.材料科學(xué)與工程學(xué)院 b.載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013）

隨著機(jī)械自動(dòng)化的迅猛發(fā)展，工業(yè)上對(duì)模具鋼性能和使用壽命的要求越來越高。目前，常用的模具鋼主要有45 鋼、65Mn 彈簧鋼、灰鑄鐵、鉻系鋼等[1-2]。其中，Cr12MoV 鋼具有高淬透性、淬硬性、強(qiáng)耐磨性、高抗壓強(qiáng)度等優(yōu)良性能[3-4]，被廣泛應(yīng)用于模具制造，特別是應(yīng)用于冷作模具鋼。對(duì)于冷作模具鋼來說，在工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常受到極高的循環(huán)壓應(yīng)力、切應(yīng)力，以及高沖擊力的作用[3]，使Cr12MoV 鋼的表面易出現(xiàn)劃傷，從而誘導(dǎo)裂紋源的產(chǎn)生，在材料的邊角或韌口處出現(xiàn)表層剝落、倒角等磨損[4]，最終導(dǎo)致模具鋼的失效。

為了提高模具的使用壽命、降低企業(yè)的生產(chǎn)成本，人們通常對(duì)模具鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，常見的表面強(qiáng)化技術(shù)有激光熔覆、磁控濺射、等離子噴涂、化學(xué)熱處理等，通過上述表面強(qiáng)化技術(shù)對(duì)模具鋼的表面進(jìn)行滲鉻、滲釩、滲硼、滲氮等處理[5-7]。例如，付貴忠等[8]通過鹽浴法在Cr12MoV 鋼的表面制備了一層滲鉻層，并對(duì)滲鉻層進(jìn)行激光淬火處理，發(fā)現(xiàn)采用滲鉻+激光淬火處理可以顯著增強(qiáng)Cr12MoV 鋼的耐磨性，且Cr12MoV 鋼表面所生成的淬硬層和硬質(zhì)相是提高其磨損性能的主要原因。張偉等[9]采用激光熔覆技術(shù)在45 鋼的表面原位生成了一層VC 增強(qiáng)的Fe-Ni 基復(fù)合涂層，發(fā)現(xiàn)隨著V 含量的增加，熔覆層的平均硬度和耐磨性逐漸增加。李鑫等[10]采用電脈沖輔助固體滲硼技術(shù)對(duì)Cr12MoV 鋼進(jìn)行了滲硼處理，結(jié)果表明，脈沖頻率的改變可以有效提高滲硼層和過渡區(qū)的厚度，顯著增強(qiáng)Cr12MoV 鋼的耐磨性。李富強(qiáng)[11]采用離子體增強(qiáng)平衡磁控濺射技術(shù)在模具鋼表面制備滲氮層，發(fā)現(xiàn)經(jīng)滲氮處理后模具鋼的摩擦因數(shù)降低，模具鋼的表面硬度明顯提高。通過上述表面強(qiáng)化處理，Cr12MoV 模具鋼的表面硬度和耐磨性得到了顯著提高，但滲鉻層內(nèi)共晶化合物的分布不均勻，導(dǎo)致滲鉻層的耐磨性較差[8]；滲釩層通常較薄（約為10 μm），且滲釩層中易形成含碳量較低的釩碳化合物，導(dǎo)致模具鋼表層的硬度和耐磨性下降[2,5]；滲硼處理的溫度較高，能源消耗較大，且滲硼層的脆性較大、易剝落，因而采用滲硼處理對(duì)提高模具鋼耐磨性的效果有限[10]。滲氮工藝的種類較多、成本較低，且經(jīng)滲氮處理后模具鋼表面的硬度和耐磨性得到大幅度提高，可見滲氮處理是一種較為理想的表面強(qiáng)化技術(shù)。

常見的滲氮工藝主要有氣體滲氮、離子滲氮[12]、真空滲氮[6,13]等，目前對(duì)鋼材進(jìn)行表面滲氮處理也備受關(guān)注。例如，Dong 等[14]通過輔助陰極離子滲氮技術(shù)對(duì)Cr12MoV 鋼進(jìn)行了氮化處理，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著輔助陰極與Cr12MoV 鋼（陽極）之間距離的增加，Cr12MoV 鋼表面氮化層的硬度呈先增加后減少的趨勢。劉戀[15]通過電弧離子鍍技術(shù)在Cr12MoV 鋼的表面涂覆了一層TiCN 膜，結(jié)果表明，隨著偏壓參數(shù)的提高，TiCN 薄膜的硬度和耐磨性大幅提高，但薄膜與基體之間的結(jié)合力呈先增大后減小的趨勢，且磨損機(jī)制從黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。閆洪澤等[16]通過離子滲氮技術(shù)對(duì)P20 鋼進(jìn)行了等離子體滲氮/類金剛石膜雙重處理發(fā)現(xiàn)，經(jīng)滲氮處理后P20 鋼的附著力和摩擦磨損性能顯著提高。游平平等[17]采用氣體滲氮技術(shù)在不銹鋼表面制備滲氮層發(fā)現(xiàn)，滲氮時(shí)間太長會(huì)明顯提高零件的脆性，適當(dāng)縮短滲氮時(shí)間可降低N 的濃度，降低滲氮層的脆性，滲氮層的脫落和裂紋傾向?qū)⒈淮蟠笙魅?。通過上述滲氮工藝均能在鋼的表面制備了一層均勻、致密的氮化層，且離子滲氮和真空滲氮所制備滲氮層的性能更好，但其成本較高、工業(yè)應(yīng)用較少，而氣體滲氮技術(shù)因具有易操作、滲氮周期短、滲層厚度可控、滲層氧化物少等特點(diǎn)，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛[18-19]。

目前的研究主要集中于滲氮工藝參數(shù)和熱處理工藝對(duì)模具鋼組織結(jié)構(gòu)[5,10,12]、硬度、耐磨性的影響，對(duì)于滲氮處理后模具鋼在不同磨損階段的磨損機(jī)理及相應(yīng)摩擦學(xué)性能的研究較少。文中以Cr12MoV 模具鋼為研究對(duì)象，采用設(shè)備易于操作、零件尺寸和結(jié)構(gòu)制約小的氣體滲氮技術(shù)對(duì)模具鋼進(jìn)行表面滲碳處理。通過改變?nèi)游恢门c模具鋼表面滲氮層的距離，研究不同磨損階段Cr12MoV 模具鋼滲氮層的摩擦學(xué)性能。通過對(duì)滲氮處理前后試樣的磨損機(jī)理進(jìn)行分析，掌握Cr12MoV 模具鋼滲氮層在不同磨損階段的摩擦學(xué)特性，從而為Cr12MoV 模具鋼服役壽命的提高提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)所用材料為Cr12MoV 模具鋼，屬于萊氏體型高碳高鉻鋼[8]。Cr12MoV 模具鋼的化學(xué)成分如表1所示，其中釩是優(yōu)良的脫氧劑，且加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的釩可顯著地細(xì)化鋼的晶粒，提高鋼的強(qiáng)度和韌性。此外，釩與碳會(huì)形成碳化物，可提高鋼在高溫高壓下的抗氫腐蝕能力[2,5]。Cr12MoV 模具鋼的含碳量和含鉻量較高，形成了大量的碳化物和高合金馬氏體，且鉻的存在可以提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性[8]，因而提高了鋼的硬度和耐磨性。

表1 Cr12MoV 模具鋼的化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of Cr12MoV die steel wt.%

這里一共設(shè)置了 6 組平行試樣，其尺寸均為3 mm×5 mm×11 mm。氮化處理的設(shè)備為N-70-61 型脈沖井式氮化爐，爐膛的直徑為800 mm，高度為1 000 mm。試驗(yàn)采用恒溫滲氮法進(jìn)行滲氮處理，滲氮過程如圖 1 所示。具體的工藝參數(shù)：滲碳溫度為560 ℃，保溫時(shí)間為8 h，滲氮工藝處理總時(shí)間為15 h，排氣時(shí)氨氣的分解率為70%，滲氮過程中氨氣的分解率為40%～50%。

在滲氮處理結(jié)束后對(duì)試件的縱截面進(jìn)行打磨、拋光，用金相顯微鏡觀察滲氮層。如圖2 所示，試件的滲氮層厚度約為 120 μm。為了模擬服役過程中Cr12MoV 模具鋼滲氮層在不同磨損階段的摩擦學(xué)特性，開展了距涂層外表面不同深度（5、30、60、120、200 μm）下滲氮層的摩擦學(xué)行為研究，并將基體試樣作為對(duì)照組。具體取樣方法：首先，對(duì)滲氮層進(jìn)行研磨、拋光，以去除表面氧化層；隨后，采用激光打標(biāo)法在不同試件的滲氮層表面各預(yù)制一個(gè)圓形凹坑，深度依次為5、30、60、120、200 μm，深度的測量通過三維輪廓儀完成；采用不同型號(hào)砂紙對(duì)滲氮表面進(jìn)行打磨，在此過程中采用三維輪廓儀對(duì)預(yù)制圓形標(biāo)記的剩余深度進(jìn)行測量，以確定滲氮層的去除深度，在標(biāo)記深度僅剩2 μm 時(shí)對(duì)試樣進(jìn)行拋光，直至其2 μm的余量被去除，所獲得的拋光表面即為待測磨損表面，此次試驗(yàn)中所有試樣取樣位置的偏差控制在±1 μm 內(nèi)；最后，在JD-18-A 型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行往復(fù)磨損試驗(yàn)，主要的摩擦學(xué)測試參數(shù)為加載壓力10 N、循環(huán)次數(shù)7 200、頻率2 Hz、振幅10 mm、磨損時(shí)間 3 600 s。對(duì)磨材料為氮化硅球，其硬度為720HV。該實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，且每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3 次，取其平均值。

圖2 滲氮試樣橫截面的金相圖Fig.2 Cross-sectional OM images of the sample after nitriding

通過金相顯微鏡（OM，OLYMPUS，BX50，Japan）觀察滲氮處理前后試樣的組織結(jié)構(gòu)，并利用納米力學(xué)測試系統(tǒng)（Anton Paar，NHT3，Switzerland）對(duì)試樣的顯微硬度和彈性模量進(jìn)行測試。通過掃描電子顯微鏡（SEM，SU8010，Hitachi，Japan）觀察滲氮處理后模具鋼橫截面的滲層組織及磨損后試樣的表面磨損形貌，并利用電子能譜儀（EDX，Xflash 6160，Bruker，USA）分析滲氮層的化學(xué)成分。利用光學(xué)三維表面輪廓儀（Zygo，ZeGageTMPro HR，USA）分析不同梯度滲氮層的磨損量及表面磨損形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 組織結(jié)構(gòu)分析

經(jīng)滲氮處理后試樣橫截面的金相圖見圖2，可以明顯看出，經(jīng)滲氮處理后模具鋼的表面形成了一層厚度約為120 μm 的滲氮層，這改變了模具鋼的化學(xué)成分。此外，滲氮層內(nèi)無明顯的白亮層[20-21]，但其表面存在明顯的微裂紋，其厚度約為5 μm。微裂紋的出現(xiàn)主要是由于滲氮層表面氮元素的濃度較大，導(dǎo)致模具鋼出現(xiàn)脆化和開裂現(xiàn)象。

滲氮處理后試樣橫截面的線掃描圖見圖3，其中，藍(lán)線代表N 元素的變化。由圖3 明顯看出，試樣表面（20 μm）處N 元素的含量最高，隨著滲入深度的增加，N 元素的含量基本呈下降趨勢。此外，在20～140 μm 間是N 元素的高富集區(qū)，而在140 μm 至更深處氮元素的含量會(huì)緩慢降低，并趨于平穩(wěn)。由此可見，經(jīng)滲氮處理后模具鋼的表層形成了一層厚度約為120 μm 的滲氮層，與圖2 的結(jié)論相吻合。在滲氮層與基體材料之間存在一層內(nèi)滲氮影響層，其影響區(qū)域?yàn)?40～200 μm。

圖3 滲氮試樣橫截面的線掃描圖Fig.3 Cross-sectional SEM line scan image of the nitrided layer

為了進(jìn)一步分析滲氮處理對(duì)模具鋼化學(xué)成分的影響，對(duì)滲氮試樣的橫截面進(jìn)行了能譜分析，結(jié)果如圖4—5 所示。圖4 中黃色區(qū)域指N 元素的富集區(qū)，可以明顯看出，滲氮層的表層為N 元素的富集區(qū)，且隨著滲入深度的增加，N 元素的含量基本呈下降趨勢，這與圖3 的結(jié)果相吻合。滲氮層的元素分布見圖5，可以明顯看出，滲氮層主要由Fe、N、Cr、Si、V等元素構(gòu)成，其中Fe、Cr、N 元素的含量較高。

圖4 滲氮層的N 元素分布Fig.4 Cross-sectional distribution of N element in the nitrided layer

圖5 滲氮層元素組成Fig.5 Cross-sectional energy spectrum of N element in the nitrided layer

2.2 硬度分析

經(jīng)滲氮處理后，試樣橫截面的顯微硬度和彈性模量見圖6。其中，Cr12MoV 模具鋼基體的顯微硬度約為3.65 GPa，而經(jīng)滲氮處理后滲氮層和內(nèi)滲氮影響層的顯微硬度分別約為12 GPa 和11 GPa，均遠(yuǎn)大于基體的顯微硬度，因此滲氮處理可以顯著增強(qiáng)Cr12MoV模具鋼的顯微硬度，使得模具鋼的摩擦學(xué)性能發(fā)生較大變化。此外，隨著取樣厚度的增加，表層滲氮層的顯微硬度會(huì)略有增加，但內(nèi)滲氮影響層的顯微硬度略低于外層滲氮層的。滲氮處理對(duì)模具鋼彈性模量的影響較小，且模具鋼基體的彈性模量略大于滲氮層的，因此滲氮處理可以在不影響彈性模量的基礎(chǔ)上大幅度提高模具鋼的硬度。

圖6 滲氮試樣橫截面的顯微硬度及彈性模量Fig.6 Cross-sectional microhardness and elastic modulus of the nitrided sample

2.3 摩擦因數(shù)與磨損形貌

2.3.1 摩擦因數(shù)

Cr12MoV 模具鋼基體及距離外層滲氮層表面不同厚度處（5～200 μm）試樣的摩擦因數(shù)曲線見圖7。由圖7 明顯看出，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，試樣的摩擦因數(shù)先快速增加，之后逐漸趨于穩(wěn)定。其中，距離外層滲氮層表面5～60 μm 處試樣的摩擦因數(shù)能更快地達(dá)到穩(wěn)定值。例如，取樣厚度約為5～60 μm 處的摩擦因數(shù)在循環(huán)450 次左右達(dá)到穩(wěn)定值，而Cr12MoV 模具鋼基體或在120～200 μm 處的滲氮層需要循環(huán)約560 次后才能趨于穩(wěn)定。此外，這些試樣的穩(wěn)定摩擦因數(shù)均在0.75±0.03 之內(nèi)，但在摩擦試驗(yàn)前期（循環(huán)次數(shù)小于4 000），滲氮層的摩擦因數(shù)略大于Cr12MoV模具鋼基體的。這是由于經(jīng)滲氮處理后試樣的顯微硬度得到大幅提高，材料的塑性變形抗力顯著提升。在載荷不變時(shí)，滲氮層與對(duì)磨副材料接觸峰點(diǎn)處因受壓而產(chǎn)生的塑性變形量減小，導(dǎo)致其與對(duì)磨副材料的嚙合不夠緊密，滲氮試樣與對(duì)磨副材料接觸面的粗糙度較大[22]。文中滲氮試樣的磨損機(jī)理主要為磨粒磨損，試樣的磨損形貌（圖11）中存在大量犁溝。在犁削過程中，材料硬度越大犁溝效應(yīng)的阻力越大，導(dǎo)致摩擦因數(shù)增大[22]。隨著摩擦試驗(yàn)的持續(xù)進(jìn)行，犁溝效應(yīng)減弱，試樣的摩擦因數(shù)與基體接近（圖8）。

圖7 Cr12MoV 模具鋼基體及滲氮層的摩擦因數(shù)Fig.7 Friction coefficient of the Cr12MoV mold steel and the nitriding layer with various sample thickness

圖8 Cr12MoV 模具鋼基體及取樣厚度為5 μm 處滲氮層的摩擦因數(shù)Fig.8 Friction coefficient of the Cr12MoV mold steel and the nitriding layer with the sample thickness of 5 μm

圖11 磨損表面的SEM 形貌Fig.11 SEM morphologies of worn surfaces: a matrix (500×); b) matrix (1 000×); c) sampling thickness 5 μm (500×);d) sampling thickness 5 μm (1 000×); e) sampling thickness 30 μm (500×); f) sampling thickness 30 μm (1 000×);g) sampling thickness 60 μm (500×); h) sampling thickness 60 μm (1 000×); i) sampling thickness 120 μm (500×);j) sampling thickness 120 μm (1 000×); k) sampling thickness 200 μm (500×); l) sampling thickness 200 μm (1 000×)

2.3.2 磨損三維輪廓與磨損量

上述試樣磨損表面的3D 輪廓見圖9，磨痕取自圖9 中橫欄所選截面。從圖9 可以看出，材料表面出現(xiàn)了明顯的犁溝[23]。相比滲氮后試樣的磨痕，基體磨痕犁溝的深度最深，基體表面磨損最嚴(yán)重。經(jīng)滲氮處理后，模具鋼的磨損顯著降低。對(duì)圖9 中的磨痕深度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，所得結(jié)果見表2。從表2 可以看出，隨著取樣深度的增加，磨痕深度逐漸增加，在取樣厚度為200 μm 時(shí)最大磨痕深度接近基體材料的磨痕深度，但滲氮層的磨痕深度均低于基體材料。從圖9 可以看出，經(jīng)滲氮處理后模具鋼磨痕的深度明顯變淺。

表2 經(jīng)往復(fù)磨損試驗(yàn)后試樣的磨痕深度Tab.2 Wear mark depth of these samples after reciprocating wear test

圖9 磨損表面的三維形貌Fig.9 3D morphologies of the worn surfaces: a) matrix; b) 5 μm; c 30 μm; d 60 μm; e 120 μm; f 200 μm

經(jīng)往復(fù)磨損試驗(yàn)后，根據(jù)圖9 中單位長度磨痕積分所得Cr12MoV 模具鋼基體及距離外層滲氮層表面不同厚度處（5～200 μm）試樣的磨損量平均值見圖10。由圖10 可知，隨著取樣厚度的增加，試樣的磨損量呈先減小后增大的趨勢，并均小于基體材料的磨損量，說明滲氮處理可以顯著增強(qiáng)Cr12MoV 模具鋼的耐磨性。此外，在取樣厚度為5～120 μm 處試樣的磨損量遠(yuǎn)小于在200 μm 處的磨損量，說明滲氮層的耐磨性遠(yuǎn)高于內(nèi)滲氮影響層的耐磨性。值得注意的是，在取樣厚度為5～120 μm 時(shí)，試樣在30 μm 處的磨損量相對(duì)最小，說明微裂紋（圖2）的存在會(huì)導(dǎo)致滲氮層耐磨性的下降。

圖10 往復(fù)磨損試驗(yàn)后試樣的磨損量Fig.10 Wear loss of these samples after reciprocating wear test

2.4 磨損機(jī)理分析

上述試樣磨損表面的SEM 形貌見圖11。從圖11a—b 中可以看出，試樣的磨損表面存在大量與往復(fù)磨損方向平行的犁溝，且犁溝較深[23]。此外，Cr12MoV 模具鋼基體的磨損表面較為粗糙，存在大量深淺不一的凹坑，并伴隨著滲氮層的撕裂和剝落。將凹坑（圖11a）處放大（見圖11b）后發(fā)現(xiàn)磨痕的邊緣不規(guī)則，說明在磨損過程中試樣的局部會(huì)發(fā)生塑性變形[24]，其主要磨損機(jī)理為疲勞磨損[25-26]。

經(jīng)滲氮處理后不同取樣厚度處試樣的磨損形貌見圖11c—l，明顯可見這些試樣的整體磨痕均較淺，磨損后試樣表層組織的破壞程度均較輕。特別是在取樣厚度為5～30 μm 時(shí)，試樣的磨損表面基本不存在明顯的損傷形貌，僅存在少量與往復(fù)磨損方向相平行的犁溝，但犁溝極淺。此外，這些試樣的磨損表面會(huì)出現(xiàn)明顯的附著物。由圖12a—f 可知，這些附著物中含有大量的Si 元素，而Si 元素的出現(xiàn)是因摩擦過程中對(duì)磨副材料（氮化硅球）的接觸點(diǎn)出現(xiàn)明顯的扁平化及材料缺失，在往復(fù)磨損過程中這些材料會(huì)首先附著，并進(jìn)一步壓實(shí)而嵌入試樣表面[25-26]，從而在試樣的磨損表面造成Si 元素的局部富集。此時(shí)，試樣的主要磨損機(jī)制為磨粒磨損[27]。當(dāng)取樣厚度為60～120 μm 時(shí)，隨著取樣厚度的增加，試樣磨損表面的犁溝數(shù)量和深度逐漸增加，殘留附著物逐漸減少，但磨損表面會(huì)逐漸出現(xiàn)少量的剝離坑[27-28]，且剝離坑的尺寸會(huì)隨著取樣厚度的增加而逐漸增加。在往復(fù)磨損過程中，這些剝離塊會(huì)與對(duì)磨副材料形成三體磨粒磨損[25]，導(dǎo)致試樣的磨損表面出現(xiàn)較深的犁溝[26-28]。

圖12 磨損表面的Si 元素分布Fig.12 Distribution of Si element on wear surfaces: a) matrix; b) sampling thickness 5 μm; c) sampling thickness 30 μm; d) sampling thickness 60 μm; e) sampling thickness 120 μm; f) sampling thickness 120 μm

3 結(jié)語

采用恒溫滲氮法在Cr12MoV 模具鋼基體的表面成功地制備了一層薄且致密的滲氮層，通過對(duì)滲氮處理后Cr12MoV 模具鋼的組織結(jié)構(gòu)及不同取樣厚度處試樣的磨損行為進(jìn)行研究，主要得出以下結(jié)論。

1）氣體滲氮處理可以在Cr12MoV 模具鋼的表面制備一層厚度約為120 μm 的致密均勻的滲氮層。

2）經(jīng)氣體滲氮處理后，Cr12MoV 模具鋼的表面硬度得到顯著提高，由3.65 GPa 提高到 12 GPa。

3）氣體滲氮處理可以顯著增強(qiáng)Cr12MoV 模具鋼的耐磨性，在干滑動(dòng)摩擦磨損條件下，滲氮模具鋼的磨損量約為未滲氮鋼的 1/10。

4）滲氮處理使 Cr12MoV 模具鋼的磨損機(jī)理發(fā)生了轉(zhuǎn)變，從伴隨局部剝落的疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp。隨著取樣厚度的增加，試樣的磨損機(jī)制由磨粒磨損逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槠谀p，并伴有輕微的氧化磨損。