陳 磊 姜 偉 崔向紅 王樹奇

(江蘇大學材料科學與工程學院 江蘇鎮(zhèn)江 212013)

熱作模具是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中一種重要的加工工具，在工作過程中模具受高溫及熱金屬的強烈擠壓，接觸面會不斷與高溫金屬摩擦。在這種高溫、高載的嚴酷工作條件下，其極易發(fā)生各種形式的失效。其中高溫磨損失效是熱作模具的一種重要失效形式[1-2]。H13鋼(4Cr5MoSiV1)是目前國內(nèi)使用最廣泛的一種熱錘鍛、熱擠壓模具鋼[3-4]。

熱作模具鋼的工作環(huán)境溫度較高，且當模具型腔與高溫金屬接觸時，接觸面的相互運動導致模具表面產(chǎn)生摩擦熱，故表面溫度會高于環(huán)境溫度。一般認為熱作模具的服役溫度在400～600 ℃。在高溫環(huán)境下H13鋼磨面上極易形成摩擦氧化物，而氧化物的形成將基體與對磨金屬隔絕開，避免基體的進一步磨損或加速磨損，這就是所謂的氧化性磨損。早在20世紀50年代，ARCHARD和HIRST[5]就發(fā)現(xiàn)摩擦表面形成的氧化物對磨損有著重要的影響。目前，國內(nèi)外眾多學者對氧化輕微磨損已經(jīng)進行了大量研究，摩擦氧化物的減磨作用已被大量的研究所公認[6]。而在嚴苛滑動條件下，摩擦氧化物反而會逐漸加速磨損，使輕微磨損向嚴重磨損轉(zhuǎn)變，甚至出現(xiàn)塑性擠出現(xiàn)象[7]。目前，對H13鋼在400～600 ℃溫度范圍的磨損失效機制尚不清楚。因此，對如何提高熱作模具的磨損壽命缺乏具有針對性和有效性的措施。

本文作者采用高溫磨損實驗機對H13鋼在400～600 ℃下進行了磨損實驗，研究在不同溫度、載荷和轉(zhuǎn)速下的磨損規(guī)律，通過對磨面以及摩擦氧化物的形貌、結(jié)構(gòu)和成分的分析，探討了其高溫磨損失效機制。這對于了解高溫下的熱作模具鋼磨損失效機制，以及對熱作模具鋼服役壽命的提高和預測有著重要的工程意義。

1 實驗材料及方法

實驗分別采用AISI H13鋼和AISI M2鋼作為磨損材料和對磨材料，它們的化學成分見表1。H13鋼在1 020 ℃下保溫20 min，油中淬火得到馬氏體，然后進行600 ℃、2 h回火得到回火屈氏體，硬度為HRC47。M2鋼經(jīng)1 220 ℃鹽浴加熱和油淬，580～600 ℃回火2次，熱處理后硬度為HRC62～64。將熱處理后的H13鋼經(jīng)線切割為直徑4.7 mm、高12.7 mm的銷試樣；將對磨材料M2鋼加工為厚8 mm、直徑54 mm的圓盤。H13和M2鋼表面均用1 200目的砂紙打磨，表面粗糙度分別達到0.45 μm和0.40 μm。

表1 H13鋼和M2鋼的化學成分及質(zhì)量分數(shù) 單位:%

采用MMU-5GA型高溫摩擦磨損試驗機進行銷盤式磨損實驗，每組實驗均采用新的磨盤和銷。具體的磨損實驗參數(shù)：實驗溫度為400、500、600 ℃；載荷為50、100、150 N；轉(zhuǎn)速為50 r/min(0.095 m/s)、100 r/min(0.19 m/s)；磨損距離為 684 m，相應的磨損時間分別為120 min和60 min。銷試樣實驗前后均需放入超聲波清洗機中用丙酮清洗，然后采用精度為0.01 mg的分析天平稱量質(zhì)量。每組磨損實驗均重復3次，取平均值，最后計算得出磨損前后的失重ΔM，并計算磨損率ω=ΔM/(ρ·S)，其中ρ為鋼的密度，S為滑動距離。

采用掃描電子顯微鏡(JSM-7001F SEM)、能量色散光譜儀(IncaEnergy 350 EDS)和X射線衍射儀(D/Max-2500/pc XRD)觀察和測試磨面和摩擦層的形貌、成分和物相組成；采用數(shù)字式顯微硬度計(HVS-1000型)以0.5 N的負荷和15 s的保持時間測量磨損亞表面上摩擦層和基體的顯微硬度；采用HR-150A型洛氏硬度計測量熱處理后鋼的硬度。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 不同溫度、載荷、滑動速度下H13鋼的磨損行為

H13鋼的磨損率在50和100 r/min滑動速度下隨溫度和載荷的變化如圖1所示。在2種滑動速度下，在各個載荷下均為500 ℃下的磨損率最低，且明顯低于400和600 ℃下的磨損率。但在50 r/min轉(zhuǎn)速下，在各個載荷下均為400 ℃下的磨損率最高。而在100 r/min轉(zhuǎn)速下，在低載荷下400 ℃下的磨損率要高于600 ℃，但隨著載荷的增大，雖然400和600 ℃下的磨損率均提高，但600 ℃下磨損率的提高程度遠高于400 ℃。因此，在100 N載荷下600 ℃下的磨損率已高于400 ℃下的磨損率，當載荷為150 N時600 ℃下的磨損率更是近7倍于400 ℃的磨損率。在50 r/min下,磨損率隨載荷的增加先升高后降低，而在100 r/min下磨損率單調(diào)升高，且600 ℃、150 N時達到3.3×10-5mm3/mm，發(fā)生嚴重磨損，而在其他滑動條件下磨損率均低于5×10-6mm3/mm?？梢园l(fā)現(xiàn)，低轉(zhuǎn)速下磨損率顯著低于高轉(zhuǎn)速時，且磨損率隨載荷增加呈先升高再降低的趨勢；高轉(zhuǎn)速時，磨損率隨載荷呈單調(diào)遞增，尤其在600 ℃時，磨損率為指數(shù)級增長，最后產(chǎn)生嚴重磨損。

圖1 H13鋼在不同磨損條件下的磨損率

2.2 摩擦因數(shù)

表2為H13鋼不同滑動條件下的摩擦因數(shù)?？梢园l(fā)現(xiàn)，在相同溫度下，低載荷下摩擦因數(shù)均高于較高載荷下，說明載荷增大，磨面逐漸潤滑。特別的是在100 r/min、600 ℃、150 N條件下的摩擦因數(shù)較大，這是因為此時發(fā)生了嚴重磨損，磨損磨面平整度下降，導致摩擦因數(shù)較大。并且可以發(fā)現(xiàn)100 r/min下的摩擦因數(shù)均大于50 r/min。根據(jù)摩擦因數(shù)的計算公式：

表2 H13鋼不同滑動條件下的摩擦因數(shù)μ

μ=M/(RF)

(1)

在同一載荷F和滑動半徑R下，同一溫度和100 r/min下的摩擦力矩大于50 r/min，則此時磨面所受摩擦力大于50 r/min，因而摩擦因數(shù)較高。

2.3 磨面宏觀形貌

圖2示出了H13鋼在150 N下不同溫度、滑動速度時的磨面的宏觀形貌。當轉(zhuǎn)速為50 r/min時，在400 ℃條件下(如圖2(a)所示)，表面呈現(xiàn)出平行于滑動方向的細小犁溝，磨面有金屬發(fā)藍光澤，磨面中心則為淺紅色；當溫度升高到500 ℃時(如圖2(b)所示)，磨損處呈現(xiàn)紅棕色；當溫度繼續(xù)升高到600 ℃時(如圖2(c)所示)，可以發(fā)現(xiàn)整個磨面呈現(xiàn)銀灰色光澤，如同一層釉質(zhì)附著在表面，此時的犁溝較為粗大，且可以觀察到少量的“掃尾”。當轉(zhuǎn)速為100 r/min時，在400 ℃下(如圖2(d)所示)，磨面也是由細小的犁溝覆蓋，整個磨面呈現(xiàn)淡黃色的金屬光澤；當溫度升高到500 ℃時(如圖2(e)所示)，磨面呈現(xiàn)黑色、暗紅色，可以觀察到在50 r/min、600 ℃下才出現(xiàn)的“掃尾”；到溫度繼續(xù)升高到600 ℃時(如圖2(f)所示)，整個磨面已經(jīng)發(fā)生了嚴重的塑性變形，邊緣產(chǎn)生了嚴重的塑形擠出，磨面呈現(xiàn)銀灰色光澤。由此可見，在高溫下溫度顯著影響磨面氧化，溫度升高磨面氧化色越濃重，同時，高轉(zhuǎn)速使得塑性擠出更容易發(fā)生。

圖2 H13鋼在150 N載荷及不同溫度和轉(zhuǎn)速下磨面宏觀形貌

2.4 H13鋼磨面物相分析

圖3給出在150 N及不同滑動條件下磨面的XRD圖譜。在400 ℃、100 r/min條件下H13鋼表面除了α-Fe峰外并未出現(xiàn)氧化物峰(如圖3(b)所示)，而在相同溫度下，當轉(zhuǎn)速降至50 r/min時，磨損表面卻出現(xiàn)了少量的Fe2O3峰(如圖3(a)所示)。當溫度升高到500 ℃時，磨損表面氧化物數(shù)量明顯增多，主要以Fe3O4、Fe2O3的形式存在于磨損表面。對比不同轉(zhuǎn)速下H13表面的氧化物量，50 r/min轉(zhuǎn)速下表面氧化物的量要多于100 r/min轉(zhuǎn)速下的，這表明相同溫度下，較低轉(zhuǎn)速下氧化物更容易留存。

如圖3(a)所示，當轉(zhuǎn)速為100 r/min時，400 ℃溫度下磨損表面出現(xiàn)了Fe2O3和少量的Fe3O4；隨著溫度增加到500 ℃，表面生成了更多的Fe2O3、Fe3O4和極少量的FeO；當溫度升高到600 ℃時，產(chǎn)生了更多的氧化物，而α-Fe峰變?nèi)?。同樣，當轉(zhuǎn)速為100 r/min時磨面物相也出現(xiàn)了上述轉(zhuǎn)變規(guī)律。顯然，轉(zhuǎn)速增加導致氧化物數(shù)量減少，而溫度升高導致了更多的氧化物，且隨著溫度的升高，氧化物形成順序為Fe2O3、Fe3O4和FeO[8]。

圖3 H13鋼在150 N及不同轉(zhuǎn)速時的磨面XRD圖譜

2.5 磨損表面形貌分析

150 N載荷下H13鋼的磨面形貌如圖4所示。如圖4(a)(d)所示，當實驗溫度為400 ℃時，不同轉(zhuǎn)速下鋼表面都形成了較為明顯的“犁溝”，這是對磨過程中磨?；?qū)δソ饘偻古_在銷軸磨面上產(chǎn)生磨削作用而留下的。對圖4(a)中的顆粒經(jīng)EDS分析為氧化物顆粒，如圖5(a)所示。如圖4(d)所示，100 r/min下氧化物顆粒明顯少于50 r/min，說明隨速度提高氧化物顆粒不易存留在磨面；圖4(d)中的銀色帶狀物經(jīng)EDS分析發(fā)現(xiàn)氧含量較低，以基體為主，如圖5(b)所示。如圖4(b)(e)所示，當溫度達到500 ℃時，表面無磨粒磨損留下的犁溝，表面呈現(xiàn)魚鱗狀的波紋痕跡，為氧化物顆粒形成的聚集區(qū)，即摩擦層及其剝落區(qū)，這是典型的氧化輕微磨損特征[9]。此外，還可看出，100 r/min下磨面的剝離區(qū)比50 r/min的要大。如圖4(c)所示，當溫度為600 ℃、轉(zhuǎn)速為50 r/min時，H13鋼表面為較平整的氧化物層和少量的剝落坑；如圖4(f)所示，當轉(zhuǎn)速增大至100 r/min時，H13鋼表面存在著垂直于滑動方向的裂紋，磨面呈現(xiàn)出層狀撕裂形貌，因此在繼續(xù)滑動過程中會發(fā)生嚴重剝離。

圖4 H13鋼在150 N下及不同轉(zhuǎn)速和溫度下磨面SEM圖

圖5 圖4中標記區(qū)域EDS分析

2.6 磨損截面形貌與硬度分析

H13鋼在150 N及不同滑動條件下的剖面形貌如圖6所示，可以看出摩擦表面形成一層不同于基體的摩擦層，而這層含氧較高，故被稱作摩擦氧化物層。轉(zhuǎn)速為50 r/min時，400 ℃下摩擦氧化物層呈半圓狀，分布不連續(xù)，厚度5～10 μm(見圖6(a))；500 ℃時摩擦氧化層分布均勻，厚度5～10 μm；當溫度達到600 ℃時，摩擦氧化層較厚為10～30 μm，且無明顯缺陷，較為致密，但亞表面基體出現(xiàn)明顯塑性變形。在轉(zhuǎn)速增大至100 r/min情況下，溫度為400 ℃時摩擦氧化層較薄，僅有5 μm,且不連續(xù)；溫度升高到500 ℃時，摩擦氧化層增厚，且分布為不連續(xù)；當溫度達到600 ℃時，摩擦氧化物層出現(xiàn)開裂，并形成了雙層摩擦氧化物形貌[10]，且摩擦氧化物層中存在孔洞和斷層。比較2種速度下的磨損截面形貌可知，在其他滑動條件相同的情況下，50 r/min下的摩擦氧化物層比100 r/min要連續(xù)、致密和厚些。

圖6 H13鋼在150 N及不同滑動條件下剖面形貌

圖7所示為150 N載荷及不同速度下磨損截面的顯微硬度分布。

圖7 H13鋼在150 N及不同滑動條件下磨損截面的顯微硬度分布

由圖7可見，不論50 r/min或100 r/min下在磨面亞表面上硬度隨距磨面距離增加而呈梯度下降。當轉(zhuǎn)速為50 r/min時，最外層接近摩擦氧化物層，故硬度可達HV560～650，顯著高于基體硬度(見圖7(a))；在距磨面30 μm處硬度降至接近基體，然而由于高的摩擦熱和環(huán)境溫度的作用，基體的硬度明顯低于原始試樣的硬度；隨著實驗溫度的升高，亞表面上基體硬度降低，為HV310～430。當轉(zhuǎn)速為100 r/min時，磨面最外面硬度接近摩擦氧化物層硬度，為HV650左右，在距磨面30 μm處硬度降至接近基體的硬度；隨著實驗溫度的升高逐漸降低，400 ℃為HV420左右，500 ℃為HV350～410，600 ℃為HV250～270(見圖7(b))。亞表面發(fā)生軟化的原因為，在高溫滑動下基體組織發(fā)生進一步回火以及回復再結(jié)晶，故硬度降低。在400、500 ℃的實驗溫度下，不同轉(zhuǎn)速下H13鋼的基體硬度相近，而600 ℃下，100 r/min下的基體硬度顯著低于50 r/min，這是由于高轉(zhuǎn)速帶來高的摩擦熱，使得磨面的接觸溫度更高，故硬度下降得更為明顯。

3 討論

輕微和嚴重磨損是一個相對的概念，它通常被用于區(qū)分磨損的嚴重程度， ZHANG和ALPAS[11]建議將5×10-6mm3/mm作為輕微磨損的臨界值。在目前的研究中，5×10-6mm3/mm同樣也可以作為粗略評估H13鋼耐磨性的標準。

上述研究結(jié)果表明，H13鋼在50 r/min及實驗采用的不同溫度和載荷下的磨損率均低于5×10-6mm3/mm，屬于輕微磨損。隨著滑動速度升高至100 r/min，H13鋼在400～600 ℃和50～100 N下的磨損率依然低于5×10-6mm3/mm，處于輕微磨損；然而當滑動條件達到600 ℃、150 N 時H13鋼的磨損率達到3.3×10-5mm3/mm，產(chǎn)生嚴重塑性擠出，轉(zhuǎn)變?yōu)閲乐匮趸p[12-13]?？梢?，滑動速度對H13鋼的高溫抗磨性有明顯影響，熱作模具高溫下的磨損程度與滑動速度有關(guān)。熱作模具在使用過程中模具表面偶爾會達到600 ℃，局部也會達到150 N甚至以上的高載，這時是否會發(fā)生嚴重磨損就取決于滑動速度。因此可以推測，對于熱作模具，當加載速度較慢時不會發(fā)生嚴重磨損，而當加載速度快時，極易發(fā)生嚴重磨損。

金屬在高溫滑動中往往產(chǎn)生摩擦氧化物，其存在顯著改變金屬-金屬之間的磨損狀態(tài)。因此，摩擦氧化物會改變磨損行為和磨損機制[14-15]。WILSON等[16]提出了適用于高溫、低速、低載的氧化磨損模型，認為磨粒在磨損過程形成氧化物顆粒，并在磨損過程中在載荷的作用下于磨損界面處被兩端金屬逐漸壓實，在磨面堆疊；在摩擦熱的作用下，磨粒進一步氧化、燒結(jié)、壓實，最終形成結(jié)構(gòu)緊密的氧化層，這一氧化層如搪瓷一般保護了基體，阻礙了進一步的磨損，使得磨損率迅速降低；隨著磨損的進行，氧化層在交叉力的作用下發(fā)生了疲勞，部分氧化物可能從磨面剝落并脫離磨損界面，造成磨損，還有部分可能在磨面形成層狀結(jié)構(gòu)，降低磨損。因此，磨損行為和機制取決于摩擦氧化物層的存在。

根據(jù)WILSON 氧化磨損模型，50 r/min下由于高溫環(huán)境以及摩擦熱的存在，在磨面形成氧化物顆粒，低的轉(zhuǎn)速使得氧化物顆粒易于聚集在磨面上，同時在摩擦力和正應力共同作用下形成連續(xù)、致密的摩擦氧化物層，起到保護作用；而100 r/min下高的滑動速度使氧化物顆粒易于拋出，故形成摩擦氧化物層的氧化物要少，而呈薄的、不連續(xù)的、不致密等形態(tài)，這樣的摩擦氧化物層保護作用會被削弱。因此，在50 r/min、400～600 ℃和 50～150 N以及100 r/min、400～600 ℃和 50～100 N下摩擦氧化物層起到了保護作用，為氧化輕微磨損，其中在相同溫度和載荷下，50 r/min下的摩擦層保護作用要強于100 r/min下，因此相應地前者的磨損率低于后者。然而，在100 r/min、600 ℃和 150 N條件下基體的硬度降至HV300以下而發(fā)生塑性流動，導致摩擦氧化物層出現(xiàn)裂紋和雙層形態(tài)，對基體無保護作用，發(fā)生塑性擠出磨損，為嚴重磨損。

4 結(jié)論

(1)在50和100 r/min 2種滑動速度下，H13鋼的磨損率均隨溫度升高先降低后升高，500 ℃下的磨損率最低；在50 r/min的轉(zhuǎn)速下，600 ℃的磨損率低于400 ℃的，而在100 r/min及較高載荷下，600 ℃下的磨損率高于400 ℃。

(2)在400 ℃下H13鋼的磨損機制為磨粒磨損和氧化輕微磨損,在500 ℃、50～150 N和600 ℃、50～100N下的磨損機制為氧化輕微磨損，而在600 ℃、150 N時發(fā)生嚴重塑性擠出磨損。

(3)高溫滑動時滑動速度影響摩擦氧化物層的形成，其形成機制遵從WILSON提出的氧化磨損模型。高溫下低滑動速度使摩擦氧化物顆粒易于存留在磨面上而形成摩擦氧化物層，起保護作用而降低磨損。

(4)高溫下基體軟化，塑性變形程度增大，基體出現(xiàn)缺陷組織，摩擦氧化層出現(xiàn)斷裂、多層氧化形貌，而高速下磨面摩擦因數(shù)較高，此時磨面受剪切力超過基體能抵抗應力的極限，磨損中發(fā)生嚴重塑性擠出，由輕微氧化磨損轉(zhuǎn)變?yōu)閲乐匮趸p。