釩對Cr12Mo模具鋼滲氮層及其摩擦學(xué)行為的影響

梅 浪， 方長洋， 黎秋萍,2

(1. 華東交通大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 江西 南昌 330013；2. 華東交通大學(xué) 載運(yùn)工具與裝備教育部重點(diǎn)實驗室， 江西 南昌 330013)

隨著機(jī)械制造業(yè)的迅猛發(fā)展以及新技術(shù)的不斷應(yīng)用，對模具表面性能和服役壽命提出了更高的要求[1]。Cr12Mo鋼是一種馬氏體耐熱不銹鋼，是模具鋼的常用材料，該材料在AISI403鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)提高M(jìn)o含量以抑制其回火脆性，實際生產(chǎn)中該材料的性能，尤其是沖擊性能很不穩(wěn)定，經(jīng)常導(dǎo)致零件返修甚至報廢[2]。釩作為合金元素被廣泛應(yīng)用于合金工模具鋼，它既可細(xì)化晶粒、降低過熱敏感性，又增加回火穩(wěn)定性、耐磨性，從而延長工模具的使用壽命[3]，通過添加V來提高模具鋼的硬度、淬透性和耐磨性，Cr12MoV鋼已經(jīng)成為國內(nèi)使用最廣泛的冷作模具鋼之一，同時在冶金、機(jī)械制造、電機(jī)電器制造及無線電、電工儀表等行業(yè)中占有重要地位[4]。

為了進(jìn)一步提高模具鋼的使用壽命，除添加合金元素之外，還通常對模具鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，這不僅能提高模具鋼的表面硬度，還能極大提高模具鋼的耐蝕性、耐磨性以及抗疲勞性能[5]。滲氮處理可以有效地提高模具鋼的表面硬度、耐磨性、耐疲勞強(qiáng)度以及耐蝕性，滲氮處理是比較常用和經(jīng)濟(jì)的表面改性技術(shù)[6]。目前最常用的滲氮方法有固體滲氮、液體滲氮、氣體滲氮、離子滲氮、碳氮共滲、超聲波冷鍛技術(shù)滲氮、真空脈沖滲氮等[7]。王振寧等[8]研究了(520±3) ℃×2 h低溫鹽浴氮碳共滲表面強(qiáng)化及鈦催滲局部超強(qiáng)化復(fù)合處理，發(fā)現(xiàn)氮碳共滲過程中TiN沉積于工件表面，提高了工件表面硬度和韌性，同時又降低了氮勢，可以對凸模表面達(dá)到整體強(qiáng)化和局部超強(qiáng)化的目的，Crl2MoV鋼的耐磨性、表面硬度和韌性均有顯著提高；陶利民等[9]優(yōu)化了工藝，進(jìn)行Crl2MoV鋼等離子體氮碳共滲工藝及稀土催滲研究，發(fā)現(xiàn)對冷作模具鋼Crl2MoV采用(510～520 ℃)×10 h、NH3/CO2體積比為10∶1、爐壓為500～700 Pa氮碳共滲時，滲層厚度可達(dá)150～200 μm，耐磨性提高，整體滲層性能提升；Pang等[10]對Crl2MoV鋼進(jìn)行不同溫度的離子滲氮，發(fā)現(xiàn)在530 ℃時，滲氮層的硬度、厚度等性能趨于最佳值。雖然已經(jīng)有大量工作對Cr12MoV模具鋼表面進(jìn)行滲氮的研究，但V對滲氮層及其摩擦學(xué)行為的影響尚不清楚。

本文通過對Cr12MoV和Cr12Mo模具鋼進(jìn)行氣體滲氮處理和摩擦學(xué)試驗，以分析V對滲氮層及其摩擦學(xué)行為的影響，并為Cr12MoV模具鋼表面熱處理及其選材提供參考。

1 試驗材料及方法

本文選用尺寸為34 mm×22 mm×5 mm的Cr12Mo和Cr12MoV鋼板作為基材，其化學(xué)成分如表1所示。用200～2000目砂紙依次對這兩種鋼板進(jìn)行打磨、拋光，用酒精進(jìn)行清洗，烘干備用。通過RN-70-6K井式氮化爐對Cr12MoV和Cr12Mo模具鋼進(jìn)行滲氮處理，具體的工藝參數(shù)：滲碳溫度為560 ℃，滲氮處理時間為8 h，滲氮工藝處理總時長為15 h，滲氮處理過程中排氣時氨的分解率為70%，恒溫氣體滲氮時的氨氣分解率為45%～60%，滲氮工藝如圖1所示。

圖1 滲氮工藝Fig.1 Nitriding process

表1 Cr12MoV和Cr12Mo模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

滲氮過程要控制表面氮濃度、滲層深度和氮的分布梯度，滲氮在富含一定濃度的氨氣氣氛中進(jìn)行。零件被看成是無限長的棒，并假定氮的擴(kuò)散系數(shù)是一常數(shù)，初始條件t=0，C=C0，C0為材料原始含氮量，假定滲氮一開始，表面就立即達(dá)到滲氮?dú)夥账刂频牡獫舛菴S，并能一直保持這個濃度。對于上述條件，常用誤差函數(shù)分布作為擴(kuò)散第二定律的解，即：

C=Cs-(Cs-C0)erf(x/2(Dt)1/2)

(1)

式中：C為經(jīng)時間t距表面x處的氮濃度，Cs為表面含氮量，C0為材料原始含氮量，D為擴(kuò)散系數(shù)，t為擴(kuò)散時間。利用UMT-3型多功能摩擦磨損試驗機(jī)對滲氮處理前后的模具鋼進(jìn)行往復(fù)磨損試驗，取載荷20 N，行程10 mm，往復(fù)摩擦?xí)r間為7200 s，頻率2 Hz，采用Si3N4對磨副球，該試驗在室溫下進(jìn)行，且每組試驗需重復(fù)3次，并取平均值。

通過OLYMOUS BX53M型光學(xué)顯微鏡觀察基體組織和滲氮層的顯微結(jié)構(gòu)；利用NTH3納米測試儀分析其滲氮截面的硬度等力學(xué)性能，試驗方法為使用該儀器測量兩組試樣中距表面不同深度處的顯微硬度和彈性模量，設(shè)置載荷20 mN，保載時間10 s，使用標(biāo)準(zhǔn)加、卸載程序；從距表面5 μm處開始，間隔4 μm依次打2個點(diǎn)后再間隔10 μm進(jìn)行打點(diǎn)，每個位置進(jìn)行3組試驗求取平均值。

通過ZeGageTM型光學(xué)3D表面輪廓儀分析磨痕的三維形貌。通過SU8010型掃描電鏡(SEM)觀察試樣的磨損形貌及滲氮處理后試樣橫截面的組織形貌，并通過其附帶的電子能譜儀(EDS)分析滲氮層的成分，磨痕試樣使用丙酮超洗3 min后，使用酒精棉擦拭磨痕表面并烘干；截面試樣與納米壓痕制樣方法相同，再用4%(體積分?jǐn)?shù))的硝酸酒精腐蝕10 s左右后用無水乙醇擦拭，最后用吹風(fēng)機(jī)吹干，利用場發(fā)射掃描電鏡分別在低倍和高倍下觀察磨痕表面形貌，觀察時加速電壓為10 kV，利用自帶的線能譜分析儀對磨痕進(jìn)行面掃描，以及對滲氮試樣截面進(jìn)行線掃描，觀察N元素分布情況。

圖2 Cr12MoV(a，c)和Cr12Mo(b，d)模具鋼滲氮后的顯微組織及N元素分布(a，b)顯微組織；(c，d)N元素分布Fig.2 Microstructure and nitrogen distributions of the Cr12MoV(a,c) and Cr12Mo(b,d) die steels after nitriding(a,b) microstructure; (b,d) nitrogen distribution

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 Cr12MoV/Cr12Mo模具鋼顯微特征及硬度

圖2為滲氮處理后模具鋼Cr12MoV和Cr12Mo橫截面的金相圖和N元素分布。顯然，滲氮處理后兩種金屬由表及里依次為表面滲氮層(電鏡下呈白亮色)、擴(kuò)散層和基體組成。其中，表面滲氮層致密均勻，Cr12MoV滲氮層厚度約為10 μm，略低于Cr12MoV滲氮層厚度12 μm，中間的擴(kuò)散層深度均約為120 μm。不同的是，Cr12MoV鋼滲氮層與擴(kuò)散層之間結(jié)合致密，而Cr12Mo鋼表面滲氮層與擴(kuò)散層之間出現(xiàn)了明顯的疏松和開裂，這是由于V的存在使?jié)B氮層形成了良好的冶金結(jié)合[11]，利于提高滲氮層的結(jié)合強(qiáng)度。

如圖2所示，對滲氮處理后的Cr12MoV模具鋼截面進(jìn)行EDS線掃描分析發(fā)現(xiàn)，兩種模具鋼的N含量從表面到內(nèi)部基本呈下降趨勢，反映出了N含量的梯度結(jié)構(gòu)特征。此外，相比Cr12Mo模具鋼，Cr12MoV鋼滲氮層的整體氮含量更高，表明V的存在促進(jìn)了滲氮時N的滲入。

對兩種滲氮模具鋼的橫截面進(jìn)行滲氮層硬度分析，如圖3(a)所示。其中，表面滲氮層硬度較高并沿基體側(cè)迅速增大；位于中間的擴(kuò)散層硬度隨深度增加逐漸降低；在滲氮層與擴(kuò)散層結(jié)合面附近硬度到達(dá)最大值，是基體的4倍以上?？梢?，硬度變化與N元素分布密切相關(guān)，表明滲氮處理使得模具鋼表面的力學(xué)性能發(fā)生了顯著變化。其原因在于在滲氮過程中，表面首先形成不飽和α-Fe固溶體層，而隨著α相中N含量的增加，在達(dá)到最大溶解度后發(fā)生相變作用形成γ′相，之后達(dá)到氮在γ′相中最大溶解度后又形成ε相，而這些相的形成提高了滲氮層的硬度[12]；然而，位于最表面的滲氮層由于560 ℃滲氮處理后形成了比較粗大的網(wǎng)狀氮化物，進(jìn)而影響了氮化物與基體的共格關(guān)系，致使表面硬度較低[13]。此外，Cr12MoV鋼的整體硬度較Cr12Mo鋼提高了近30%，表明V可以提高模具鋼的硬度；更為重要的是，V的存在大大促進(jìn)了近表層(l<50 μm，l為距表面的距離)硬度的提升。

圖3 Cr12MoV和Cr12Mo模具鋼滲氮后的截面硬度分布(a)及加卸載位移曲線(b，c) (b)Cr12Mo鋼；(c)Cr12MoV鋼Fig.3 Hardness distributions(a) and displacement curves in loading and unloading(b, c) of the Cr12MoV and Cr12Mo die steel after nitriding (b) Cr12Mo steel; (c) Cr12MoV steel

圖4 Cr12MoV和Cr12Mo模具鋼滲氮前后的摩擦因數(shù)曲線(a)、磨損量(b)和磨損深度(c)Fig.4 Friction coefficient curves(a), wear mass loss(b) and wear depth(c) of the Cr12MoV and Cr12Mo die steels before and after nitriding

圖3(b，c)為兩種模具鋼在滲氮層、擴(kuò)散層和基體的納米壓痕加、卸載曲線，發(fā)現(xiàn)隨著滲氮層深度的增加，曲線向右平移，且壓痕深度顯著增大，證實了滲氮處理對模具鋼表面產(chǎn)生了硬化效果[14]。

2.2 摩擦因數(shù)及磨痕深度

圖4為兩種模具鋼在滲氮前后的摩擦因數(shù)曲線、磨損量和磨損深度圖。隨循環(huán)周次的增加，其摩擦因數(shù)均經(jīng)歷爬升和平穩(wěn)兩個階段(見圖4(a))；對未滲氮的基體而言，試驗鋼中V的添加使得穩(wěn)定階段的摩擦因數(shù)略微提高(見圖4(a))，但明顯提高了基體材料的耐磨損性(見圖4(b，c))，具體來說，Cr12Mo鋼基體磨痕最大深度達(dá)18.2 μm，而Cr12MoV鋼基體最大深度約15 μm，耐磨性提高近20%；而滲氮處理后的Cr12Mo和Cr12MoV模具鋼的磨痕均較淺，磨損量不到基體材料的1/10，滲氮處理大幅提升材料表面耐磨性，導(dǎo)致了V對滲氮層耐磨性的貢獻(xiàn)變得微不足道，這說明盡管添加V提高了模具鋼的耐磨性，但起主導(dǎo)作用的仍是N的有效滲入，優(yōu)化了表層材料的化學(xué)成分和組織。

圖5 Cr12Mo(a，c)和Cr12MoV(b，d)模具鋼滲氮前后磨損表面SEM圖及局部三維形貌(a，b)滲氮前；(c，d)滲氮后Fig.5 SEM images and local 3D morphologies of worn surface of the Cr12Mo(a, c) and Cr12MoV(b, d) die steels before and after nitriding(a, b) before nitriding; (c, d) after nitriding

2.3 磨損機(jī)理

滲氮和未滲氮試樣磨損后的掃描電鏡圖及局部三維形貌如圖5所示(Sa為算術(shù)平均高度；Sq為均方根高度；Sz為最大高度，3者均可表示表面粗糙度，此處選取Sa作為表面粗糙度)。未滲氮模具鋼Cr12Mo和Cr12MoV表面粗糙度分別為0.933 μm和0.558 μm,滲氮模具鋼Cr12Mo和Cr12MoV表面粗糙度分別為0.176 μm 和0.031 μm，可以看出，滲氮模具鋼摩擦試驗后表面較粗糙；從表面損傷形貌分析可知，Cr12Mo鋼磨損表面出現(xiàn)大塊的疲勞剝落并伴有犁溝特征(見圖5(a3))、且剝落坑較深(見圖5(a1))，而Cr12MoV鋼磨損表面剝落現(xiàn)象明顯減弱，且出現(xiàn)了黏著磨損特征，表明V存在改變了磨損機(jī)制，前者以疲勞磨損和磨粒磨損為主，而后者轉(zhuǎn)變成以黏著磨損和磨粒磨損為主。此外，由于后者耐磨性優(yōu)于前者，導(dǎo)致對摩副球磨損加劇、接觸面積增大，因而磨損寬度由前者的d=1.3 mm 增大至后者的d=1.5 mm。

滲氮處理后兩種模具鋼均表現(xiàn)出極好的耐磨性，如圖5(c1～c3)和圖5(d1～d3)，其表面損傷輕微、磨痕輪廓略窄且較淺。不同之處在于，滲氮后的Cr12Mo鋼磨損中心位置出現(xiàn)多且小的凹坑，而滲氮后的Cr12MoV鋼的磨損表面粘附了Si含量較高的微小顆粒(對摩副為Si3N4球)，表明前者磨損機(jī)制以疲勞磨損為主、而后者轉(zhuǎn)變成了黏著磨損。顯然，這是滲氮前原始基材中存在V的貢獻(xiàn)。而凹坑的出現(xiàn)可能與Cr12Mo鋼滲氮層表面結(jié)合力差，易被壓潰開裂所致。從這點(diǎn)可以看出，V對提高Cr12Mo鋼滲氮層服役壽命有積極的作用。

3 結(jié)論

1) 滲氮處理前，V的加入盡管略微增大了Cr12Mo基體鋼的摩擦因數(shù)，但其耐磨性提高了近20%，表現(xiàn)出較好的抗磨效果；對比Cr12Mo和Cr12MoV兩種基體鋼，發(fā)現(xiàn)磨損機(jī)制由前者的疲勞磨損和磨粒磨損為主轉(zhuǎn)變成以黏著磨損和磨粒磨損為主。

2) 兩種模具鋼滲氮層均由表面滲氮層、中間擴(kuò)散層和基體組成，V的存在促進(jìn)了滲氮時N的有效滲入，大大提高了滲氮層與擴(kuò)散層間的界面結(jié)合力，避免了滲氮層與擴(kuò)散層間的起裂。

3) 由于V對滲氮時N滲入的促進(jìn)作用，提高了滲氮層的硬度，最大硬度值分布于滲氮層和擴(kuò)散層交界處附近。Cr12MoV鋼的整體硬度比Cr12Mo鋼提升近30%；而V對滲氮層最大硬度值附近區(qū)域的硬度提升幅度更為明顯。

4) 滲氮層顯著提高了兩種模具鋼的耐磨性，其磨損量不到未滲氮基體的1/10；V對兩種模具鋼滲氮層耐磨性的影響并不明顯，但V的主要貢獻(xiàn)在于提高了滲氮層表面結(jié)合力，促使磨損機(jī)制由疲勞磨損轉(zhuǎn)變?yōu)轲ぶp，進(jìn)一步提高了滲氮層的服役壽命。