鉬鎢熱作模具鋼的高溫摩擦磨損機制

李 爽 張 倫 吳曉春

（1.河北工業職業技術大學科研處，河北石家莊 050092；2.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444）

熱作模具鋼廣泛用于制作壓鑄模、熱擠壓模、熱剪切模、精密鍛造模等在承受沖擊力和急冷條件下使用的模具［1-3］，使用中其表面溫度會由于受到強烈的摩擦而進一步升高。高溫磨損是熱作模具的主要失效形式之一［4-6］，因而高溫摩擦磨損性能是評定熱作模具鋼性能的關鍵指標。

Eyre［7］對金屬的磨損進行了詳細研究，指出金屬的耐磨性不是其固有的特性，還受到摩擦副性質及環境等因素的影響。材料的耐磨性與摩擦機制有關，輕微的摩擦導致輕微磨損，反之則發生嚴重磨損。Wang等［8-10］對H13熱作模具鋼在400℃的高溫摩擦磨損行為進行了一系列試驗研究，探討了鋼的高溫摩擦磨損機制以及氧化膜形態等。但是近年來對熱作模具鋼的研究多集中在表面改性及熱處理工藝優化等方面，對高溫摩擦磨損機制的研究較少。

本文對一種新型鉬鎢熱作模具鋼進行了高溫下的往復式摩擦磨損試驗，試驗溫度為400～700℃。檢測了高溫下的摩擦副摩擦因數、模具鋼磨損率、磨損表面和截面的微觀形貌、相組成及成分和硬度等，以揭示試驗鋼的高溫磨損機制。

1 試驗材料與方法

試驗鋼的化學成分（質量分數，%）為0.37C，4.30Mo，1.70W，0.96Cr，0.10Si，0.15Mn。摩擦試塊的尺寸為10 mm×10 mm×36 mm，熱處理工藝為1 030℃真空油淬，580℃ ×2 h回火2次，組織為回火馬氏體，硬度50 HRC。對磨材料為碳化硅陶瓷球。

高溫摩擦磨損試驗在Bruker UMT-3型高溫摩擦磨損試驗機上進行，試驗參數如表1所示。

表1 高溫摩擦磨損試驗參數Table 1 Parameters of the high-temperature friction-wear test

摩擦因數通過試驗機系統采集；采用Bruker Contour GT-K型光學輪廓儀測定材料的磨損體積，磨損率按式（1）計算：

式中：V為磨損體積，mm3；p為試驗力，N；d為總滑行距離，m。

將摩擦磨損試驗后的試樣沿垂直于摩擦方向剖開并制備金相試樣，采用Zeiss Supra40型掃描電子顯微鏡（SEM，scanning electron microscope）觀察試樣磨損表面和截面形貌；采用Oxford能譜儀（EDS，energy dispersive spectroscopy）對摩擦表面進行線掃描分析；采用D／max-2550型X射線衍射儀（XRD，X-ray diffractometer）對試樣磨損面進行物相分析；采用MH-3型顯微硬度計測定試樣表層硬度梯度。

2 試驗結果及分析

2.1 摩擦因數與磨損率

圖1為試驗鋼在不同溫度的摩擦因數隨試驗時間的變化。當試驗溫度為400和500℃時，鋼的摩擦因數為0.45～0.65；試驗溫度為600℃時，摩擦因數為0.35～0.60；試驗溫度為700℃時，鋼的摩擦因數基本穩定在0.40左右。整體上看，隨著試驗溫度的提高，試驗鋼的摩擦因數降低，波動幅度也減小。

圖1 試驗鋼在不同溫度摩擦磨損試驗時的摩擦因數隨試驗時間的變化Fig.1 Friction coefficient of the investigated steel as a function of test time during friction-wear tests at different temperatures

圖2為試驗鋼在不同溫度摩擦磨損試驗后的磨損率。從圖2可以看出，在400和500℃摩擦磨損試驗后，試驗鋼的磨損率均較低，為（1～2）×10-14m3／（N·m），在500℃摩擦磨損試驗的鋼的磨損率略低于400℃試驗的鋼。試驗溫度升高至600℃時，磨損率顯著增大至7×10-14m3／（N·m），約增加了3倍；當試驗溫度進一步升高至700℃時，鋼的耐磨性嚴重惡化，磨損率增大至24×10-14m3／（N·m），約為400℃試驗時的10倍。可見試驗溫度不同，試驗鋼的耐磨性差異很大。

圖2 在不同溫度摩擦磨損試驗后試驗鋼的磨損率Fig.2 Wear rates of the investigated steel after friction-wear tests at different temperatures

2.2 截面形貌和氧化層

圖3為試驗鋼在不同溫度摩擦磨損試驗后磨損面的SEM形貌及EDS線掃描結果。當試驗溫度為400℃時，摩擦氧化層厚度約為1 μm，與基體結合緊密且有明顯的界面，界面附近從基體到氧化層再到鑲嵌層，氧元素峰先升高后下降（見圖3（a））；試驗溫度為500℃時，氧化層厚度約為1.5 μm，界面處氧元素峰未迅速上升（見圖3（b））；試驗溫度為600℃時，氧化層厚度約為8 μm，與基體結合處（或界面）有疏松，氧化層也明顯破裂（見圖3（c））；試驗溫度為700℃時，氧化層厚度約為12 μm，嚴重分層和折疊，有部分氧化層嵌入基體（見圖3（d））。

圖3 試驗鋼在不同溫度摩擦磨損試驗后磨損面的SEM形貌及EDS線掃描結果Fig.3 SEM morphologies and EDS linear scanning results of worn surface of the investigated steel after friction-wear tests at different temperatures

由以上試驗結果可知，在摩擦磨損試驗過程中，試驗鋼發生了氧化磨損，磨損表面形成了摩擦氧化層；隨著試驗溫度的升高，摩擦氧化層逐漸增厚，磨損機制主要是氧化磨損；400和500℃試驗產生的氧化層均較薄，600℃試驗時氧化層迅速增厚，700℃試驗產生的氧化層更厚。

2.3 磨損表面形貌與物相

圖4為試驗鋼在不同溫度摩擦磨損試驗后的表面SEM形貌。在400℃摩擦磨損試驗的鋼的磨損表面形成了摩擦氧化物，并在試驗過程中被擠壓而聚集，摩擦表面有塊狀摩擦氧化層；此外，還可以看到磨損表面出現了與摩擦方向同向的犁溝，如圖4（a）所示。在500℃摩擦磨損試驗的鋼的磨損表面，塊狀摩擦氧化層覆蓋面積增大，還有少量的大尺寸白色氧化物顆粒，如圖4（b）所示。在600℃摩擦磨損試驗的鋼磨損表面具有較明顯的犁溝特征，局部區域氧化層破裂脫落形成凹坑，其余區域光滑，如圖4（c）所示。試驗溫度進一步升高到700℃，試驗鋼磨損表面的形貌與600℃試驗后的類似，較為光滑，只有少量的氧化層凹坑，但犁溝凹凸程度加劇且較深，兩側明顯隆起，如圖4（d）所示。

圖4 在不同溫度摩擦磨損試驗后的試驗鋼的表面SEM形貌Fig.4 SEM morphologies of the surface of the investigated steel after friction-wear tests at different temperatures

圖5為試驗鋼在700℃摩擦磨損試驗后的XRD圖譜，可以看出磨損表面主要含有Fe2O3和Fe3O4兩種氧化物，以Fe2O3為主。而Fe的衍射峰強度較低，說明磨損表面已發生嚴重氧化，形成了較多氧化物。

圖5 試驗鋼在700℃摩擦磨損試驗后的XRD圖譜Fig.5 XRD patterns of the investigated steel after friction-wear test at 700℃

2.4 截面硬度

圖6為在不同溫度摩擦磨損試驗后試驗鋼表層硬度分布。可以發現，試驗鋼磨損面以下的表層硬度隨著與表面距離的增大而提高，離表面越近，硬度越低。這是溫度和應力的共同作用使表層軟化所致［7-9］。當摩擦磨損試驗溫度為400和500℃時，試驗鋼的硬度幾乎為試驗前的硬度，約490～505 HV30；600℃試驗后硬度明顯下降，約為310～460 HV30；700℃試驗的鋼，基體硬度約為290 HV30，說明鋼明顯軟化。

圖6 在不同溫度摩擦磨損試驗后試驗鋼表層硬度分布Fig.6 Hardness distribution in case of the investigated steels after friction-wear tests at different temperatures

3 討論

從上述試驗結果可知，試驗鋼在高溫摩擦磨損試驗過程中發生了氧化磨損，而且隨著試驗溫度的升高，氧化磨損加劇；氧化層厚度隨試驗溫度的升高而增厚。由于氧化層具有減摩作用［12］，所以摩擦因數隨著試驗溫度的升高而減小。在400和500℃摩擦磨損試驗的鋼，摩擦氧化層較薄且厚度相差不大，分別約為1.0和1.5 μm。在600和700℃試驗的鋼，摩擦氧化層厚度分別約為8和12 μm，即在400和500℃摩擦磨損試驗的鋼摩擦因數均較大，而600℃試驗的鋼摩擦因數下降較大，而700℃試驗的鋼摩擦因數下降更明顯。由圖4可知，在400和500℃試驗的鋼磨損表面較粗糙，導致摩擦因數波動幅度較大。在600和700℃試驗的鋼磨損面則較光滑，所以摩擦因數波動幅度較小。

由試驗鋼的磨損率和摩擦表層SEM形貌及硬度分布可知，摩擦氧化物具有一定的減磨作用，導致材料磨損率降低。當材料基體硬度較高時，在摩擦磨損試驗過程中變形程度較小，能減少摩擦氧化膜的破裂和剝落，有利于摩擦氧化層的形成，從而提高材料的耐磨性。但當材料基體硬度較低時，在摩擦磨損試驗中變形較大，導致摩擦氧化層生長到一定厚度后與基體剝離，材料的磨損率增大［13-14］。由于試驗鋼中碳化物主要是鉬和鎢的碳化物，試驗溫度低于600℃時，鉬鎢系碳化物聚集長大不明顯。但當試驗溫度超過600℃時，鉬和鎢的碳化物易于長大粗化，形成大顆粒碳化物，材料快速軟化，極易惡化試驗鋼的高溫耐磨性［15］。

摩擦磨損試驗溫度400和500℃均低于鋼的回火溫度580℃，試驗鋼具有良好的抗回火軟化性能，基體硬度僅比試驗前稍有降低，影響磨損率的因素主要是摩擦氧化層的厚度［16］。500℃試驗的鋼的摩擦氧化層厚度大于400℃試驗的鋼，能提高耐磨性，試驗鋼在500℃試驗后的磨損率比400℃試驗后的小。試驗溫度600℃高于鋼的回火溫度580℃，摩擦磨損試驗后基體硬度下降明顯，雖然摩擦氧化層厚度增大，但試驗鋼基體硬度大幅度降低，成為影響磨損率的主要因素。與400和500℃摩擦磨損試驗相比，600℃試驗后的鋼磨損率明顯上升。700℃試驗的鋼基體硬度大幅度下降至約290 HV30，而摩擦氧化層厚度與600℃試驗的鋼差別不大，因此700℃試驗的鋼基體硬度是影響磨損率的主要因素，鋼的磨損率顯著增大。

從材料的摩擦磨損機制看，摩擦磨損試驗溫度較低如400℃時，試驗鋼表面有塊狀和顆粒狀摩擦氧化物及梨溝，氧化磨損、磨粒磨損與黏著磨損共存，但生成的摩擦氧化物較少，以黏著磨損為主。500℃試驗時，摩擦氧化物增多，并形成大量塊狀摩擦氧化物，能有效保護基體，因此磨損率低于400℃試驗的鋼，磨損機制為氧化磨損與黏著磨損共存，但以氧化磨損為主，材料發生輕微氧化磨損［7］。在600℃及以上溫度試驗后，材料氧化嚴重，形成了大量摩擦氧化物，但由于基體軟化明顯，磨損率明顯增大，發生了嚴重的氧化磨損［9-10］。

4 結論

（1）溫度是影響試驗用鉬鎢熱作模具鋼摩擦磨損性能的重要因素。隨著試驗溫度的提高，氧化層增厚，摩擦因數減小。試驗鋼500℃時的磨損率最小，600和700℃時的磨損率明顯增大。

（2）氧化層的浸潤對試驗鋼的摩擦因數有很大影響，氧化層浸潤作用的大小主要決定于其厚度。

（3）氧化層厚度和截面硬度決定了磨損率大小，碳化物類型決定了試驗鋼的抗高溫軟化性能，在400和500℃摩擦磨損試驗的鋼仍保持較高的基體硬度，摩擦氧化層厚度是影響材料耐磨性的主要因素。在600和700℃摩擦磨損試驗的鋼表層硬度梯度是影響磨損率的主要因素。

（4）試驗鋼的高溫磨損機制包含氧化磨損、粘著磨損和磨粒磨損，隨著試驗溫度的升高，氧化磨損成為主要的磨損機制。