可控離子滲入對新型熱作模具鋼高溫耐磨性能的影響

李文明， 羅德福， 廖宏毅， 潘虹吉

(1. 湖南紅宇智能制造有限公司， 湖南 長沙 410600；2. 西華大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 四川 成都 610036)

熱作模具是制造業(yè)中最為依賴的一項工具，使用過程中要經(jīng)受升溫和降溫的交變作用，工況惡劣[1-3]。常見問題有在高溫載荷下導(dǎo)致的磨損，熱沖擊造成的疲勞開裂以及周期性熱循環(huán)作用引起的強度降低等缺陷[4]。為了滿足熱作模具鋼的使用性能要求，科研工作者在新型熱模鋼基材研發(fā)和模具表面強化技術(shù)開發(fā)兩方面做了大量工作。選用一種具有良好的力學(xué)性能，同時也很適合進行滲氮處理的新型熱作模具鋼基材，是解決熱作模具鋼延壽難題的主要思路。新型熱作模具鋼組分中Cr、Ni、Mo、W、V、Nb等與N的親和力大于Fe，可控離子滲入(Programmable ion permeation, PIP)處理后形成的細小彌散氮碳化合物具有高硬度和優(yōu)良的抗高溫磨損性能。國內(nèi)針對滲氮模具鋼進行了500 ℃高溫耐磨性能試驗[5-6]，而且細長管類零部件氮碳共滲后耐磨防腐性能較傳統(tǒng)工藝有較大提升[7]。美國、韓國對Cr-Mo-V系熱作模具鋼進行滲氮處理，發(fā)現(xiàn)可以提高熱作模具鋼的耐高溫磨損性能[8-9]。國內(nèi)外也有大量針對在高溫、高壓等類似苛刻環(huán)境工作的零部件進行滲氮處理，從而提高材料的壽命研究[10-11]。因此，本文研究了PIP技術(shù)處理的新型熱作模具鋼在室溫到800 ℃高溫環(huán)境范圍內(nèi)耐磨性能的變化規(guī)律，以期為生產(chǎn)中模具延壽提供理論指導(dǎo)。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗選用25Cr3Mo3NiNbZr熱作模具鋼，利用光譜分析儀對該材料進行化學(xué)成分測定，結(jié)果見表1。

材料調(diào)質(zhì)工藝：1050 ℃×2 h淬火，油淬，620 ℃×2 h回火。調(diào)質(zhì)后顯微組織為回火馬氏體+碳化物，基體硬度為45～51 HRC。然后采用線切割將材料切成尺寸為φ40 mm×5 mm的磨損試樣。試樣滲氮采用可控離子滲入技術(shù)處理，具體PIP工藝參數(shù)為溫度550 ℃，時間2.5 h，CNO濃度為36%～40%。

表1 新型熱作模具鋼的化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)

1.2 試驗方法

磨損試驗在HT-1000高溫摩擦磨損試驗機上進行，試樣加熱到試驗溫度后進行磨損試驗。磨損結(jié)束后停機打開罩蓋冷卻30 min，用鑷子取出試樣。在超聲波丙酮溶液中振動清洗除去試樣表面油污，電吹風(fēng)吹干后稱量準(zhǔn)備試驗。環(huán)境試驗溫度分別選取25、600和800 ℃，載荷為150 N，轉(zhuǎn)速560 r/min，對磨時間10 min，對磨材料為高硬度φ5 mm的SiC球。每經(jīng)歷1個周期磨損后，取下試樣，采用超聲波振動清洗試樣并用電吹風(fēng)對試樣進行干燥，然后用電子分析天平稱量試樣的質(zhì)量，求出同一溫度下3個試樣的平均質(zhì)量損失。

將不同溫度下摩擦磨損后的試樣切片、鑲嵌，采用450～1200目的砂紙打磨并拋光至鏡面。鑲嵌樣經(jīng)酒精擦拭后，吹干表面，采用4%(體積分數(shù))的FeCl2溶液腐蝕試樣。沖洗吹干后使用4-XC光學(xué)顯微鏡觀察滲層顯微組織。利用HV1000型顯微硬度計測試試樣表面和截面硬度，載荷砝碼100 g。利用Smartlab-9KW型X射線衍射儀檢測經(jīng)常溫、600 ℃和800 ℃磨損后試樣滲層物相結(jié)構(gòu)。衍射條件：鈷靶輻射，電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度為2°/min，測試范圍為30°～120°。根據(jù)X射線衍射測試數(shù)據(jù)結(jié)合PDF卡片庫檢索，對滲層物相進行標(biāo)定。

將試驗后磨損試樣的磨損面切成5 mm×5 mm×2 mm的SEM樣片，然后用無水乙醇超聲波清洗15 min，電吹風(fēng)吹干備用。利用MAIA-3XMH型場發(fā)射掃描電鏡和基恩士VH5000觀察磨損試樣表面形貌和磨痕尺寸，分析試樣經(jīng)PIP技術(shù)處理后的高溫磨損機制。

2 試驗結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

新型熱作模具鋼試樣在室溫、600 ℃和800 ℃環(huán)境中磨損后的顯微組織如圖1所示。其中圖1(a～c)為未經(jīng)PIP處理的試樣，圖1(d～f)為PIP處理試樣。由圖1可知，PIP處理后試樣由表及里依次為氧化物層、氮碳復(fù)合滲層和基體組織，不同溫度磨損后試樣滲層厚度分別為41(Fe2-3N組織)、40(Fe2-3N組織)和57 μm (過飽和馬氏體組織)。磨損環(huán)境溫度低于600 ℃ 時，試樣滲層組織不發(fā)生改變。磨損環(huán)境溫度為800 ℃時，組織已發(fā)生明顯變化。后面將通過硬度梯度和XRD物相檢測作進一步分析。

2.2 顯微硬度

圖2為PIP處理新型熱作模具鋼試樣在常溫、600 ℃和800 ℃ 3個溫度下磨損后的截面硬度梯度分布。由圖2可知，試樣表面的硬度呈現(xiàn)由表及里逐漸降低的趨勢[12]。常溫磨損后表面硬度為1262 HV0.1，基體硬度值為390 HV0.1，表面硬度約為基體硬度的3.2倍。600 ℃磨損后表面硬度為1293 HV0.1，基體硬度值為379 HV0.1，表面硬度約為基體硬度的3.4倍。常溫和600 ℃磨損條件下，試樣的有效硬化層深約為0.09 mm。經(jīng)800 ℃高溫磨損后，試樣表面硬度為685 HV0.1，基體硬度為308 HV0.1，表面硬度約為基體硬度的2.2倍，有效硬化層深0.05 mm。另外，試樣在600 ℃環(huán)境中磨損后的截面硬度曲線同常溫環(huán)境中的磨損硬度曲線基本一致。

圖1 不同溫度磨損后熱作模具鋼的顯微組織(a～c)未處理；(d～f)PIP處理；(a，d)25 ℃；(b，e)600 ℃；(c，f)800 ℃Fig.1 Microstructure of the hot-working die steel after wear at different temperatures(a-c) untreated; (d-f) PIP treated;(a,d) 25 ℃; (b,e) 600 ℃; (c,f) 800 ℃

圖2 PIP處理熱作模具鋼試樣經(jīng)不同溫度磨損試驗后截面顯微硬度分布Fig.2 Cross section microhardness distribution of PIP treated hot-working die steel specimens after wear at different temperatures(a) 25 ℃; (b) 600 ℃; (c) 800 ℃

2.3 耐磨性能

圖3為新型熱作模具鋼在常溫、600 ℃和800 ℃磨損試驗后的磨損量和摩擦因數(shù)曲線。由圖3(a)可知，試樣經(jīng)PIP處理后磨損量大幅降低。常溫時未處理試樣磨損量為23.4 mg，PIP處理后試樣磨損量為11.5 mg，通過PIP處理后試樣的耐磨性能提高約1倍。高溫時未處理試樣同PIP處理試樣磨損量差異變小，主要原因是高溫時試樣表面磨損減量的同時會發(fā)生氧化增量的情況，且溫度越高氧化增量越大。由圖3(b～d)可知，PIP處理試樣的摩擦因數(shù)要低于未處理試樣，隨著磨損溫度的升高，PIP處理試樣表面的摩擦因數(shù)也逐漸降低。PIP處理后試樣表面形成的Fe3O4膜可降低試樣表面的摩擦因數(shù)。隨著磨損溫度的升高，表面氧化膜中Fe3O4相將向FeO相轉(zhuǎn)變，使得摩擦因數(shù)降低[13-14]。同時磨損過程中產(chǎn)生的磨屑也能起到一定的潤滑作用。

圖3 熱作模具鋼在不同磨損溫度下的磨損量(a)和摩擦因數(shù)(b～d)Fig.3 Wear loss(a) and friction coefficient(b-d) of the hot-working die steel after wear at different temperatures (b) 25 ℃; (c) 600 ℃; (d) 800 ℃

2.4 磨損形貌

圖4 熱作模具鋼在25 ℃下的磨損形貌(a，b)未處理；(c，d)PIP處理Fig.4 Wear morphologies of the hot-working die steel at 25 ℃(a,b) untreated; (c,d) PIP treated

圖4為新型熱作模具鋼在常溫環(huán)境中的磨損形貌。圖4(a，b)為未經(jīng)PIP處理試樣的表面磨損形貌，試樣表面存在顆粒狀磨屑，且磨削面存在塊狀剝落。圖4(c，d)中PIP處理試樣表面的氧化膜因受SiC球的擠壓出現(xiàn)破裂，磨削面未有顆粒和剝落現(xiàn)象。由 2.3 節(jié)及圖4可說明PIP處理在試樣表面形成的氧化膜能降低試樣表面的摩擦因數(shù)，形成的化合物層能增加試樣的抗磨損性能。由圖4(b，d)可知，PIP處理后試樣磨痕淺，耐磨性提升。

圖5為新型熱作模具鋼在600 ℃高溫環(huán)境下的表面磨損形貌。由圖5(a，c)可知，在600 ℃高溫環(huán)境下PIP處理試樣磨痕較未處理試樣淺，基體抗塑性變形能力強。當(dāng)磨損試驗溫度升高至600 ℃時，未處理試樣磨痕中心產(chǎn)生了許多U型凹槽，深30～50 μm，寬約400 μm，磨痕附近產(chǎn)生平行于表面的粘著磨損形貌[15]。PIP處理試樣磨痕深度和寬度均小于未處理試樣，表明PIP處理可增強高溫和熱應(yīng)力條件下的抗塑性變形能力，提高基體耐磨性能[16]。

圖5 熱作模具鋼在600 ℃下的磨損形貌(a，b)未處理；(c，d)PIP處理Fig.5 Wear morphologies of the hot-working die steel at 600 ℃(a,b) untreated; (c,d) PIP treated

圖6為新型熱作模具鋼在800 ℃高溫環(huán)境下的表面磨損形貌。圖6(a，b)為未處理試樣，圖6(c，d)為PIP處理試樣。由圖6可知，在800 ℃高溫環(huán)境下，未處理試樣磨痕寬約1.2 mm，深約60 μm；PIP處理試樣磨痕寬約0.9 mm，深約30 μm。未處理試樣表面發(fā)生明顯熱軟化，塑性變形使得磨削面變得平整光滑，磨痕深度同PIP處理試樣差異不大。隨著PIP處理試樣表面氧化膜增厚，局部應(yīng)力集中出現(xiàn)破損，形成顆粒氧化物。

由圖4、圖5和圖6可知，PIP處理提高了新型熱作模具鋼基材的高溫抗塑性變形能力，降低了試樣表面的摩擦因數(shù)，增強了試樣的耐磨性。隨著磨損環(huán)境溫度的升高，試樣表面形成的氧化膜和氧化物顆粒具有一定的減磨效果。常溫時試樣的磨損機制為粘著磨損，高溫時試樣磨損機制為氧化磨損和粘著磨損[17]。

2.5 XRD物相分析

圖7為新型熱作模具鋼PIP處理前后的X射線衍射圖譜。由圖7(a)可知，PIP處理后試樣表層形成了Fe2-3N、Fe4N和Fe3O4(Fe3O4相用砂紙磨掉，防止影響內(nèi)部滲層組織檢測)。圖7(b)為磨損試樣XRD圖譜的局部放大，未處理熱作模具鋼試樣在600 ℃磨損后表面析出M2C，形成α-Fe馬氏體組織。由圖7(b)衍射圖譜可知，溫度低于600 ℃時，PIP處理試樣表面形成的Fe2-3N和Fe4N相可以穩(wěn)定存在，阻礙了X射線的穿透，使得衍射圖譜中α-Fe相衍射峰值變?nèi)?。溫度達到800 ℃時，F(xiàn)e2-3N和Fe4N相分解，最終形成過飽和的含氮α-Fe相，使得衍射圖譜中α-Fe相衍射峰值變強。這也很好地解釋了圖2(c)中試樣在800 ℃環(huán)境中磨損后，其表層的截面硬度比室溫和600 ℃磨損試樣要下降許多的原因，但其硬度仍然高于基體硬度。

圖6 熱作模具鋼在800 ℃下的磨損形貌(a，b)未處理；(c，d)PIP處理Fig.6 Wear morphologies of the hot-working die steel at 800 ℃(a,b) untreated; (c,d) PIP treated

圖7 新型熱作模具鋼在不同磨損溫度下的X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of the novel hot-working die steel after wear at different temperatures

3 結(jié)論

1) 新型熱作模具鋼試樣經(jīng)PIP處理后(溫度550 ℃，保溫2.5 h)，試樣表面形成厚度約40 μm、硬度高于1250 HV0.1的化合物層，滲層物相主要為Fe2-3N、Fe4N和Fe3O4相；環(huán)境溫度低于600 ℃時，化合物中的Fe2-3N和Fe4N相可穩(wěn)定存在，表面硬度值較基體提高了3倍以上，有效硬度層深度為0.09 mm；環(huán)境溫度高于800 ℃時，化合物中的Fe2-3N和Fe4N相將分解形成過飽和的含氮α-Fe相，試樣表面硬度較基體提高2.2倍，有效硬化層深0.05 mm。

2) 常溫下未處理試樣的摩擦因數(shù)由0.75降低到PIP處理的0.58，隨著磨損溫度的升高，試樣表面氧化膜中Fe3O4相將向FeO相轉(zhuǎn)變，使得600 ℃時PIP試樣摩擦因數(shù)為0.42，800 ℃時表面摩擦因數(shù)為0.17。

3) 摩擦試驗溫度升高至600 ℃時，未處理試樣表面發(fā)生明顯塑性變形和熱軟化現(xiàn)象，產(chǎn)生平行于表面的粘著磨損特征，PIP處理試樣表面氧化膜破裂，產(chǎn)生氧化物顆粒，伴隨發(fā)生磨粒磨損特征；摩擦試驗溫度高于800 ℃時，未處理試樣表面發(fā)生明顯熱軟化和塑性變形，磨痕寬度增加到1.2 mm，PIP處理試樣開始出現(xiàn)熱軟化，磨損機制以氧化磨損和粘著磨損為主。