冷拔模具用硬質合金材料的摩擦磨損性能

曾陽根，王振生，劉 軍，張大功

（1.國網湖南省電力有限公司婁底供電分公司，湖南 婁底 417000；2.湖南國生新材料科技有限公司，湖南 湘潭 411201；3.國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南 岳陽 414000；4.湘潭電機股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

隨著鋼管工業的飛速發展，我國在產量、品種、質量、生產技術及設備制造等方面都已達到了世界先進水平[1]。其中，冷拔工藝制備的精密無縫鋼管的品種、規格和數量不斷增多[2]。冷拔模具主要用于無縫鋼管的管壁減薄和定徑，是拉拔加工工藝中常用的易耗性模具。在冷拔加工工藝中，模具費用約占加工費用的1/2，又由于模具的使用性能直接影響著無縫鋼管的質量。因此，模具對于提高無縫鋼管的產品質量以及降低生產成本具有重要作用[3-10]。

鑒于大直徑無縫鋼管冷拔模具的主要失效形式是磨損，目前模具材料主要有鍍鉻Cr12MoV 合金、滲氮Cr12MoV 合金與硬質合金。本文對比YG20CG11008 硬質合金和鍍鉻Cr12MoV 合金以及滲氮Cr12MoV 合金，研究硬質合金的摩擦磨損性能，以及作為冷拔模具材料的可適性。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

選用的Cr12MoV 合金熱處理工藝為1 020 ℃淬火+550 ℃三次回火，線切割切取20 mm×20 mm×10 mm 的磨損樣品，表面精磨至粗糙度（Ra）0.6μm，分別采用電鍍工藝鍍鉻以及等離子滲氮爐420 ℃等離子滲氮表面改性。鍍鉻工藝為：除油溶液 組 成NaOH 60 ～80 g/L，Na2CO335 ～40 g/L，Na3PO440～60 g/L；電流密度3～8 A/dm2，槽溫50～70 ℃，陰極出油3 min，陽極去油0.5 min，純水清洗；體積百分數為20%的H2SO4室溫酸洗3 min，純水清洗；CrO3250 g/L，H2SO42.5 g/L，電流密度7.5～46 A/dm2，40～60 ℃，電鍍10 h。等離子滲氮工藝為：丙酮清洗后放置于LDM2-25 型脈沖直流等離子滲氮爐中，通過NH3進行滲氮處理，滲氮溫度為420 ℃，滲氮時間為32 h，氣壓1 200 Pa。YG20C-G11008 合金制備工藝為：配方80%WC+20%Co 以及WC 和Co 的總質量的2%石蠟，滾動球磨24 h 混合均勻，噴霧干燥制粒，160 kN 自動機械壓力機壓制成坯料，氫氣脫蠟，1 400 ℃真空燒結90 min，線切割切取20 mm×10 mm×4 mm 的磨損樣品，表面精磨至粗糙度（Ra）0.6 μm。鍍鉻Cr12MoV合金、滲氮Cr12MoV 合金與YG20C-G11008 合金表面拋光后，經丙酮+酒精超聲波清洗，烘干。

1.2 試驗方法

采用MRH-5A 型環-塊磨損試驗機進行摩擦磨損試驗，摩擦副接觸方式為環-塊滑動線接觸方式。對磨件上試環為調制鋼環（38 HRC，尺寸為Φ49.22 mm×13.06 mm），鍍鉻Cr12MoV 合金、滲氮Cr12MoV 合金與YG20C-G11008 合金為下試塊。試驗條件：室溫，大氣干摩擦，載荷為5 000 N，滑動速度為0.1 m/s，試驗時間為30 min。根據摩擦力值公式計算摩擦因數。磨損體積量用NanoMap-500LS 三維接觸式表面輪廓儀測得。磨損率計算公式為W=V/（F·L）（W 為磨損率，V 為磨損體積損失，F 為載荷，L 為滑行距離）。摩擦因數和磨損率取3 次試驗結果的平均值。

采用S-3400N 型掃描電鏡分析變形區表面形貌。采用HV-50 維氏硬度計測試合金的維氏硬度，5 N 的載荷，持壓時間為15 s。

2 三種材料的組織和力學性能

YG20C-G11008 合金是利用19.41%的Co 作為黏結金屬，將WC 顆粒黏結成塊體的硬質合金，磁化強度4 kA/m，密度13.48 g/cm3，相對磁飽和強度29.5（Gs·cm3）/g，WC 平均晶粒尺寸為1 μm，無η 相（圖1），表面硬度為1 253～1 272 HV；細化的硬質合金WC、Co 原料粉末具有很高的活性，微觀上有助于改善組織均勻性，抑制燒結過程中WC顆粒長大，形成良好的過渡性界面，減少空隙度，提高致密性，可以大幅提高硬質合金的硬度和強度等宏觀性能[11]；另外，WC 晶粒接近納米級（1 μm）時，WC-Co 硬質合金的磨損質量大幅度下降，耐磨性能顯著提高[12]。因此，選用YG20C-G11008 合金作為研究對象。Cr12MoV 鍍鉻層厚度約為0.75 mm（圖2），表面硬度為950～1 000 HV。Cr12MoV合金中的共晶碳化物呈彌散分布（圖3a），在碳化物堆積區域碳化物顆粒尺寸較大，部分碳化物呈長桿狀，并且邊角圓滑；滲氮組織有3 個區域：表面的白亮層即氮化物層表面硬度為1 050～1 100 HV；次表面顏色較深的是擴散層，最后是較明亮的基體組織。

圖1 YG20C-G11008 合金的組織形貌

圖2 Cr12MoV 鍍鉻層的形貌

圖3 滲氮Cr12MoV 的組織形貌

3 三種材料的磨損性能及機理

3.1 三種材料的磨損性能

鍍鉻Cr12MoV 合金的摩擦因數為0.25，磨損率為8.3×10-14m3/（N·m）。滲氮Cr12MoV 合金的摩擦因數和磨損率分別為0.16 和3.6×10-14m3/（N·m），磨損率較鍍鉻Cr12MoV 合金降低2.3 倍。YG20CG11008 合金的摩擦因數和磨損率分別為0.35 和0.18×10-14m3/（N·m），磨損率較鍍鉻Cr12MoV 合金和滲氮Cr12MoV 合金分別提高了19 倍和45 倍。

3.2 三種材料的磨損機理

三種材料的磨損表面形貌如圖4 所示。可以發現，低倍下鍍鉻Cr12MoV 表面呈現出顯著的剝落特征和比較明顯的犁削特征（圖4a），高倍下鍍鉻Cr12MoV 表面還呈現出顯著的塑性變形特征（圖4b）。低倍下滲氮Cr12MoV 表面呈現出比較明顯的犁削特征（圖4c），沒有發生滲氮層剝落的特征；高倍下滲氮Cr12MoV 表面呈現出顯著的犁溝特征（圖4d）。由于滲氮時通過調節氣體組分可以控制氮化組織、降低滲氮層的脆性，不易產生剝落和熱疲勞，故Cr12MoV 合金經過滲氮處理后，表面的耐磨性、抗疲勞性能、抗熱、抗蝕性能、硬度和抗咬合性能優越。

圖4 三種材料的磨損表面形貌

低倍下YG20C-G11008 合金表面呈現剝落、黏著和犁溝特征（圖4c），高倍下合金表面呈現出黏著、WC 顆粒、微坑以及WC/WC 間微裂紋特征，硬質合金的WC 顆粒、微坑以及WC/WC 間微裂紋特征出現在磨損表面的黏著剝落處。這是由于材料接觸表面的高接觸應力作用導致硬質合金表層的Co 從WC 晶粒間被擠出，Co 與Fe 是固溶度大的同族元素，易發生黏著磨損，黏著磨損導致合金摩擦因數增大[7]；伴隨著黏結相Co 的流失，硬質合金的表面完整性受到破壞，WC 顆粒成為磨損表面微凸體，缺少Co 相的屏障保護導致在高接觸應力作用下WC 晶粒間產生裂紋，隨著裂紋的擴展，使得部分WC 顆粒開始從基體表面剝落形成微坑，WC 顆粒的剝落進一步加劇磨損表面剝落特征[13]；由于摩擦磨損工況是自然的壓應力狀態，壓應力可以抑制裂紋的萌生和擴展[14-15]，WC 晶粒間裂紋遇到Co 相不會再擴展，故YG20C-G11008 合金沒有發生斷裂；脫落的WC 顆粒以磨粒的形式出現，在外界輾壓的作用下，在摩擦副的表面形成犁溝狀的磨損痕跡，故磨損表面出現犁溝特征。

4 生產使用情況

根據三種材料的磨損試驗結果，YG20CG11008 合金耐磨損性能最優。因此，采用YG20CG11008 合金制備了外模（圖5）。考慮到YG20CG11008 合金的價格貴、韌性差，采用鑲套的方法制備了外模。實際使用過程中發現，外模表面主要呈現拉傷磨損特征，高倍下，磨損表面主要呈現剝落、黏著和犁溝特征，與磨損試驗結果吻合。YG20C-G11008 合金外模表面形貌如圖6 所示。YG20C-G11008 合金外模的使用壽命較鍍鉻Cr12MoV 合金外模提高了近10 倍，解決了某公司的模具失效問題。這說明硬質合金相對于鍍鉻Cr12MoV 合金和滲氮Cr12MoV 合金，可以更有效地提高冷作模具的使用壽命，從而獲得更好的產品，不足之處是模具成本高。

圖5 YG20C-G11008 合金外模

圖6 YG20C-G11008 合金外模表面形貌

5 結 論

（1） YG20C-G11008 合金WC 平均晶粒尺寸為1 μm，無η 相，表面硬度為1 253～1 272 HV。摩擦因數和磨損率分別為0.35 和0.18×10-14m3/（N·m），其磨損率較鍍鉻Cr12MoV 合金和滲氮Cr12MoV 合金分別提高19 倍和45 倍。

（2） YG20C-G11008 合金的磨損機理受控于黏著磨損。高接觸應力導致接觸表面的硬質合金中的Co 從WC 晶粒間被擠出，發生黏著磨損，Co 的流失導致WC 顆粒缺少屏障保護，在磨損表面形成微凸體，在高接觸應力作用下產生裂紋，裂紋擴展導致部分WC 顆粒剝落形成微坑。摩擦磨損工況自然的壓應力狀態抑制了裂紋的萌生和擴展，合金沒有發生斷裂。

（3） YG20C-G11008 合金模具的使用壽命較鍍鉻Cr12MoV 合金外模提高了近10 倍，不足之處是模具成本高。