熱鍛模具鋼的耐磨性及磨損機理研究

王樹奇，朱 韜，茅奕蘇

(1.煙臺大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院，煙臺264005;2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)

熱鍛模具鋼的耐磨性及磨損機理研究

王樹奇1，2，朱 韜2，茅奕蘇2

(1.煙臺大學(xué)環(huán)境與材料工程學(xué)院，煙臺264005;2.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，鎮(zhèn)江212013)

采用銷盤式高溫摩擦磨損實驗機，針對一種新型鑄鋼、H13和H21鋼在25－400℃下進行磨損試驗，對比研究各種鋼的耐磨性，并探討了磨損機制.研究表明：室溫下H21鋼由于具有較多的未溶碳化物，比H13鋼和鑄鋼具有高的耐磨性;在200－300℃下鑄鋼和H13鋼隨載荷的增加一直具有較低的磨損率和增長率，而H21鋼當(dāng)載荷達到200 N時磨損率忽然升高;在400℃下鑄鋼具有持續(xù)低的磨損率，明顯低于H21和H13鋼.可見，新型鑄鋼具有比常用熱鍛模具鋼顯著高的高溫耐磨性.

熱鍛模具鋼;新型鑄鋼;耐磨性;磨損機理

熱鍛模是一種重要的金屬成型工具，廣泛應(yīng)用于機械、汽車等領(lǐng)域，在使用過程中，熱鍛模承受反復(fù)的機械和熱載荷，模具型腔表面溫度可以達到500℃以上［1］，高溫磨損是其主要的失效形式之一［2，3］.因此，提高熱鍛模具鋼的耐磨性是延長模具使用壽命的關(guān)鍵.

鑄造熱鍛模是一種新的模具制造方法，被報道具有高的材料利用率、短的制造周期和高的壽命［4］.一種新型的Cr－Mo－V熱鍛模具鋼被研制，其具有較佳的有較高強度、塑性和沖擊韌性［4，5］，但其耐磨性尚無系統(tǒng)研究.本文對比研究了這種新型鑄造模具鋼與常用的H13和H21鋼在室溫－400℃磨損行為，評價了他們的室溫和高溫耐磨性，系統(tǒng)測試分析了磨面的結(jié)構(gòu)和形貌，探討了磨損機理.

1 實驗

磨銷(Ф6 mm×12 mm)材料為鑄鋼、H13和H21鋼.鑄鋼的成分為(wt.%):0.1－0.5C、2.0－5.0Cr、0.3－3.5Mo和0.2－1.0V，采用50 kg中頻感應(yīng)爐不氧化法熔煉工藝進行熔煉，在澆包中加入Ti－Fe、Re及Si－Ca等作為復(fù)合變質(zhì)劑，對鋼液進行孕育變質(zhì)處理，當(dāng)鋼液溫度達1550℃時，插脫氧出鋼，澆注成楔形試樣.H13和H21鋼取至鍛棒，其成分分別為(wt.%):0.41C、5.23Cr、 1.15Mo、0.92V和0.32C、2.4Cr、8.2 W、0.41V.

三種模具鋼H13、H21和鑄鋼分別在1040、1150、1020℃奧氏體化，保溫20 min，油冷，然后分別在600、550和550℃回火，保溫2 h，得到回火索氏體組織，其硬度大約在50－52 HRC之間.對磨盤(Ф70 mm×10 mm)材料為Cr12MoV鋼，其熱處理工藝為:1050℃保溫20 min油淬，550℃回火2 h，3次回火后硬度為60 HRC.

磨損實驗在MG－200型銷盤式高溫磨損試驗機上進行.實驗參數(shù)為:環(huán)境溫度分別選擇25、200、300和400℃;載荷為50、100、150和200 N;轉(zhuǎn)速為1 m/s;總行程為1.2 km.在磨損前銷試樣和對磨盤表面采用400目SiC砂紙研磨(表面粗糙度Ra∶0.45 μm)，丙酮清洗并吹干.磨損結(jié)束后對磨銷進行清洗和烘干，用電子分析天平E180 (精度為0.01 mg)稱量磨銷在磨損前后的重量△m，每個規(guī)范取三個試樣的平均值，計算磨損率Ws(g/m)，即單位滑動距離的磨損量，Ws=△m/L.用JSM－7001F型掃描電子顯微鏡對磨損表面和磨損剖面形貌進行觀察與分析，采用Rigaku D/max－2500/pc型X射線衍射儀分析磨面的物相.

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 三種模具鋼磨損性能的比較

圖1為三種模具鋼在不同環(huán)境溫度時磨損率的比較.在25℃時，三種模具鋼的磨損率隨著載荷的增加近似直線增加.鑄鋼與H13鋼的磨損率相差不大，僅略微大于后者;但這兩種鋼的磨損率要明顯地高于H21鋼(圖1(a)).

在200℃時，H13鋼與鑄鋼的磨損率變化規(guī)律相同，當(dāng)載荷從50 N升至100 N時，兩者的磨損率均降低，然后隨著載荷的增加緩慢地升高.對于H21鋼，當(dāng)載荷超過150 N，它的磨損率迅速升高，比鑄鋼和H13鋼的磨損率高了一個數(shù)量級(圖1(b)).

在300℃、載荷50－150 N時，三種鋼的磨損率都在1－2×10－6mm3/mm左右.當(dāng)載荷從150 N增加到200 N時，鑄鋼的磨損率增加緩慢，H13鋼的磨損率增長略快;H21鋼的磨損率變化規(guī)律與200℃幾乎相同，突然快速升高(圖1(c)).

在400℃時，三種模具鋼表現(xiàn)出不同的磨損率變化規(guī)律，耐磨性從高到低依次為:鑄鋼、H21鋼、H13鋼.當(dāng)載荷超過150 N時，H21和H13鋼的磨損率快速升高，而鑄鋼的磨損率增長緩慢，載荷200 N時的磨損率值不足前兩者的 1/3 (圖1(d)).

圖1 H13，H21和鑄鋼磨損率比較

2.2 磨面分析

圖2為H21、H13鋼和鑄鋼在不同溫度下磨面XRD圖譜.可見在25－200℃時，H21鋼磨面上幾乎沒有氧化物形成，環(huán)境溫度到300℃時，磨面的部分區(qū)域上形成Fe3O4和Fe2O3;400℃時Fe3O4和Fe2O3略有增加(圖2(a)).H13在25℃磨面上有極少量的氧化物FeO形成，200℃氧化物Fe3O4、Fe2O3和FeO在磨面上產(chǎn)生，400℃時氧化物數(shù)量顯著增多，其強度已接近鐵的衍射峰(圖2(b)).鑄鋼的情況與H13鋼類似，25℃磨面上有FeO和Fe3O4出現(xiàn)，200℃全部類型的氧化物均在磨面上形成，400℃時氧化物的數(shù)量明顯增加，且其強度要遠超過鐵的衍射峰強度(圖2 (c)).可見H13鋼和鑄鋼比H21鋼更易形成氧化物，后者的形成溫度(300℃)高于前者(200℃);而鑄鋼比H13鋼形成氧化物數(shù)量要多.

圖2 H21(a)、H13(b)和鑄鋼(c)在不同環(huán)境溫度時磨面的XRD圖譜

圖3為H21、H13和鑄鋼在不同環(huán)境溫度及載荷下磨面形貌.可以看出，H21鋼在25～200℃時磨面布滿了沿滑動方向的犁溝痕跡，這是磨粒磨損的典型形貌特征(圖3a，b).環(huán)境溫度達到300－400℃時，磨面出現(xiàn)氧化物層和剝落坑，400℃的氧化物層更致密(圖3c，d)，隨著載荷的升高，氧化物層的剝落加劇，磨面變得粗糙.

H13和鑄鋼的磨面形貌極其相似，在25℃磨面主要表現(xiàn)為粘著痕跡，伴隨著撕裂狀的塑性變形(圖3e，i)，為粘著磨損典型的形貌.200℃時出現(xiàn)氧化物層和剝落區(qū)(圖3f，j).400℃時，磨面形成大量的致密的氧化物層，載荷低時存在少量的剝落坑，且尺寸小(圖3g，k);隨著載荷的升高，氧化物層的剝落加劇，剝落坑急劇增大(圖3h，l).

3 討論

在25℃時，三種模具鋼磨面幾乎沒有或者僅有很少量的摩擦氧化物存在，金屬之間直接接觸，H13和鑄鋼為粘著磨損，而H21鋼為磨粒磨損.圖4為三種模具鋼顯微組織.可以觀察到H21鋼中含有較多的未溶碳化物Fe3W3C，而另外兩種模具鋼中則不存在.該類型碳化物的固溶溫度高達1300℃，不可避免地存在于H21鋼中，并且其顯微硬度可達1200－1300 HV，遠高于基體原始硬度(540 HV).在滑動過程中，這些高硬度的未溶碳化物在摩擦力作用下在磨面上劃出一道道犁溝，使磨粒磨損成為H21鋼主要的磨損機理.

在200～300℃時H13和鑄鋼磨面在較高的環(huán)境溫度和摩擦熱作用下形成了一定數(shù)量摩擦氧化物，可以避免金屬－金屬接觸，磨損機理由粘著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)檠趸p微磨損，這時磨損率隨著載荷的增加一直保持很小的數(shù)值，這是典型的Quinn型氧化輕微磨損［6］.

H21鋼在200℃時磨面上產(chǎn)生極少摩擦氧化物，所以其磨損機制仍然是磨粒磨損，故磨損率很高.當(dāng)環(huán)境溫度達到300℃時，摩擦氧化物開始形成，并可避免金屬－金屬接觸，在載荷50－150 N時處于氧化輕微磨損，這時磨損率較低，且與H13和鑄鋼相近.然而，在高載200N時磨損率突然增高，這可能是磨粒在低載荷時可以起到某種滾動減磨作用，而高載荷時磨粒這種滾動運動形式消失，同時H21鋼本身脆性導(dǎo)致磨面在高載下脆性剝落增加，故磨損率急劇增加.

400℃下三種模具鋼磨面上均可形成較多的摩擦氧化物.低載荷時約10～15 μm厚的致密的摩擦氧化物層覆蓋住磨面的大部分區(qū)域(類似于圖5a)，并且此時基體有足夠的強度來支持摩擦氧化物層，三種模具鋼的磨損機理為Quinn型氧化輕微磨損.當(dāng)載荷超過150 N時，H13、H21鋼的磨損率增加較快，磨損機理發(fā)生轉(zhuǎn)變，進入氧化磨損輕微－嚴(yán)重磨損的轉(zhuǎn)變區(qū)［7，8］.鑄鋼的磨損率增加緩慢，仍為氧化輕微磨損.

圖3 在不同工況條件下磨面形貌：H21鋼(a)25℃;(b)200℃;(c)300℃;(d)400℃;H13鋼(e)25℃; (f)200℃;(g)50 N，400℃;(h)200 N，400℃;鑄鋼(i)25℃;(j)200℃;(k)50 N，400℃;(k)200 N，400℃

圖4 三種模具鋼顯微組織：H21鋼(a)，H13鋼(b)，鑄鋼(c)

鑄鋼、H13和H21鋼都屬于鉻－鉬(鎢)－釩系列的合金鋼，但它們的合金成分有所不同，其碳化物類型大體上可依次分為釩型碳化物、鉻型碳化物、鎢型碳化物.一般來說，釩型碳化物要比另外兩種碳化物的熱穩(wěn)定性高.在高溫滑動過程中，釩型碳化物不容易出現(xiàn)粗化，而另外兩種碳化物很容易粗化，粗大的第二相會促進裂紋在材料亞表層的塑性變形區(qū)中萌生，使剝落方式改變，進而使磨損機理轉(zhuǎn)變［9］.文獻［10，11］指出由于亞表層基體塑性變形明顯，裂紋出現(xiàn)氧化物層之下，即出現(xiàn)了雙層氧化物，標(biāo)志氧化磨損進入氧化磨損輕微－嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變區(qū)，這種氧化磨損已超越Quinn型氧化輕微磨損.這正是H13和H21鋼在高溫、高載下出現(xiàn)的情況，見圖5b，c.

相比之下，鑄鋼在高溫磨損中可以保持較高的熱強度和組織穩(wěn)定性，為摩擦氧化物層提供一個有力的支持.即使在高載荷時，氧化物層下面的基體出現(xiàn)了較明顯的塑性變形，由于碳化釩很細?。?］，裂紋也不易萌生，剝落方式仍為氧化物層剝落，故鑄鋼仍為氧化輕微磨損，這時鑄鋼磨面上僅有單層氧化物(圖5a).然而，可以看出氧化物層下基體中也已出現(xiàn)裂紋.可以推測在更高的載荷下，鑄鋼中也會出現(xiàn)雙層氧化物，即也會進入氧化磨損輕微－嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變區(qū).可見，鑄鋼推遲了這種氧化磨損輕微－嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變.

圖5 模具鋼(a)鑄鋼，(b)H13鋼，(c)H21鋼在400℃和載荷200 N時的剖面形貌

綜上所述，新型鑄造熱作模具鋼比H13和H21鋼具有更好的高溫耐磨性.新型鑄造熱作模具鋼的高耐磨性歸因于其回火索氏體中碳化釩的彌散分布阻礙了磨損時基體的塑性變形及裂紋的萌生，推遲了氧化物剝落方式從氧化物內(nèi)或氧化物層與基體界面向亞表面基體內(nèi)剝落的轉(zhuǎn)化;同時較多的摩擦氧化物也有助于耐磨性的提高.

4 結(jié)論

1)室溫下H21鋼比H13鋼和鑄鋼具有高的耐磨性;在200－300℃下鑄鋼和H13鋼隨載荷的增加一直具有較低的磨損率和增長率，而H21鋼當(dāng)載荷達到 200 N時磨損率忽然升高;在400℃下鑄鋼具有持續(xù)低的磨損率，明顯低于H21和H13鋼.

2)H21鋼在25～200℃下為磨粒磨損，300－400℃下低載為氧化輕微磨損，高載發(fā)生氧化磨損的輕微－嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變;H13鋼和鑄鋼在室溫為粘著磨損，200～300℃為氧化輕微磨損，400℃低載下為氧化輕微磨損，高載下發(fā)生氧化磨損的輕微－嚴(yán)重磨損轉(zhuǎn)變.

3)H21鋼由于含較多、粗大的未溶碳化物而具有較高的室溫耐磨性，新型鑄鋼具有比常用熱鍛模具鋼顯著高的高溫耐磨性，主要是由于彌散、細小的VC和較多的摩擦氧化物.

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Wear resistance and wear mechanism of hot-forging die steels

WANG Shu-qi1，2，ZHU Tao2，MAO Yi-su2
(1.School of Environment and Materials Engineering，Yantai University，Yantai 264005，China; 2.School of Materials Science and Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，China)

Wear tests were performed for a new-type cast steel，H13 and H21 steels on a pin-on-disk high-temperature wear tester.Their wear resistances were compared，and wear mechanism discussed.Compared with the cast steel and H13 steel，high wear resistance of H21 steel at room temperature is attributed to many unsolved carbides.At 200－300℃，the cast steel and H13 steel present a lower wear rate and increased rate with an increase of load，while the wear rate of H21 steel abruptly increases as the load reaches 200 N.At 400℃，the cast steel posseses much lower wear rate than those of H13 and H21 steels.It can be suggested that the the cast steel presents markedly higher elevated-temperature wear resistance than the conventional hot-forging die steels.

Hot-forging die steel;New-type cast steel;Wear resistance;Wear mechanism

TH117.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1005－0299(2012)02－0140－05

2011－07－23.

國家自然科學(xué)基金項目(51071078).

王樹奇(1962－)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 張積賓)