精密無縫鋼管冷拔模具的失效分析與表面改性

劉 軍，王振生

（1.國網湖南省電力有限公司岳陽供電分公司，湖南 岳陽414000；2.湖南國生新材料科技有限公司，湖南 湘潭411201）

隨著鋼管工業的飛速發展，我國鋼管在產量、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，經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］。冷拔模具是拉拔加工工藝中常用的易耗性模具，主要用于無縫鋼管的管壁減薄和定徑。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［3-4］。

某鋼管廠Φ406 mm無縫鋼管冷拔工藝用鍍Cr內模的使用壽命為100～150根/支，約為外模壽命的1/3，是制約鋼管生產效率和質量的主要影響因素。因此，內模表面改性的研究具有重要意義。本文分析了某鋼管廠Φ406 mm無縫鋼管冷拔使用的內模的失效形式，并根據研究成果改進了內模，取得了良好的應用效果。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

在已失效的冷拔內模的變形區切取SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）試樣。選用Cr12MoV模具鋼，熱處理工藝為1 020℃淬火+550℃三次回火，切取20 mm×20 mm×10 mm的磨損樣品，分別采用電鍍工藝鍍Cr以及采用等離子滲氮爐420℃等離子滲氮表面改性Cr12MoV模具鋼。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。Cr12MoV鍍Cr后，表面精磨至表面粗糙度Ra 0.6μm，Cr12MoV等離子滲氮后，表面拋光處理，經丙酮+酒精超聲波清洗后烘干。

1.2 試驗方法

采用S-3400N型掃描電子顯微鏡分析變形區表面形貌。采用HV-50維氏硬度計測試合金鍍Cr層和等離子滲氮層的維氏硬度，5 N的載荷，持壓時間為15 s。采用9J光切法顯微鏡檢測表面粗糙度。在MRH-5A型環-塊摩擦磨損試驗機上進行摩擦磨損試驗，摩擦副接觸方式為環-塊滑動線接觸方式。對摩件上試環為調制態鋼環（材質為45鋼，熱處理工藝為850℃水淬+380℃回火，硬度為38 HRC，尺寸為Φ49.22 mm×13.06 mm），鍍Cr和等離子滲氮Cr12MoV為下試塊。試驗條件：室溫，大氣干摩擦，載荷為5 kN，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。

2 冷拔內模的失效分析

失效內模表面形貌如圖1所示，可以看出，失效內模表面存在劃傷和黏著特征。鍍Cr內模失效表面的SEM形貌如圖2所示，可見，內模變形區表面存在明顯的鍍Cr層剝落和犁削特征（圖2a～b），而且從變形區向定徑區剝落特征逐漸減弱（圖2a），高倍電子顯微鏡下可以發現，鍍Cr層表面存在顯著的網狀微裂紋（圖2c）。

圖1 失效內模表面形貌

圖2 鍍Cr內模失效表面的SEM形貌

由于該Φ406 mm鋼管的冷拔工藝過程（圖3）為：鋼管前端插入內模發生擴徑，內模和鋼管一起前移插入外模，固定內模，液壓機夾緊鋼管擴徑端，利用內模與外模的間隙形成的變形區和定徑區，拉拔鋼管發生減壁和定徑。從a點開始拉拔力呈線性增加，當拉拔到達b點以后，純徑向壓縮完成；從b到c的瞬時徑向減壁量不再發生變化，所以在變形區內減壁變形引起的拉拔力也不再發生變化，但在變形區受到變形的金屬進入定徑帶內，其應力-應變關系仍遵循胡克定律變化，因此，按照彈性卸載定律，這部分金屬仍處于彈性變形狀態，力在徑向擴張，由于在b到c段受到外模與內模的徑向壓力，所以在b點以后總的拉拔力仍略有增加，到c點達到最大值。當鋼管端部被推入內模，鋼管端面與內模發生“啃口”式的滑動磨損；a到b的拉拔過程中，鋼管減壁時的高壓作用導致鍍Cr層產生高的應力作用，又由于鍍Cr層本身具有很高的內應力，當鍍層增加到一定厚度，內應力便促使表面形成裂紋，通常隨著鍍鉻層厚度的增加，內應力增大，裂紋的數量也增多［5］。因此，“啃口”式的滑動磨損和鍍Cr層的內應力導致鍍Cr層產生微裂紋和剝落，剝落的Cr顆粒在壓力作用下壓入相對較軟的鋼管內壁，隨著拉拔工作的進行，當角度合適，形成Cr/Cr的磨損，犁削內模變形區和定徑區的鍍Cr層（圖2d），進而導致模具表面鍍Cr層出現大塊剝落特征和更顯著的裂紋特征（圖2e～f）。鍍Cr層的大塊剝落導致在減壁和定徑過程中，相對較軟的鋼管在高應力作用下擠入剝落區，導致內模發生黏著磨損，給模具的使用壽命和鋼管的內壁質量帶來了致命的傷害。

圖3 冷拔工藝示意

3 磨損性能與磨損機理

3.1 等離子滲氮Cr12MoV的組織形貌和性能

等離子滲氮Cr12MoV的組織形貌如圖4所示。Cr12MoV合金中的共晶碳化物呈彌散分布（圖4a），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；Cr12MoV合金的等離子滲氮組織中有3個區域：表面的白亮層，即氮化物層；次表面的顏色較深的擴散層，最后是較明亮的基體組織。滲氮過程中，材料基體中的C和Cr都能獲得足夠能量從基體中擴散出去，相互結合形成更穩定的碳化鉻相，Cr也會與擴散進來的N原子結合形成氮化鉻相［6］，故擴散層中有較多的脈狀分布的氮化物（圖4b）。同時靠近表面處N含量最高，遠離表面方向N含量逐漸減少，在自由能驅動下從內部擴散出來的Cr向N濃度高的區域遷移，和N相結合形成氮化鉻，起到了補充Cr元素的作用，導致表面形成氮化物層以及次表面基體的Cr含量低于基體。由于擴散層基體中C和Cr的含量降低，腐蝕過程中腐蝕程度較重，故擴散層顏色較深。等離子滲氮層厚度約為0.23 mm（圖4b），表面粗糙度Ra約為0.55μm，表面硬度為1 050～1 100 HV，性能優于鍍Cr的Cr12MoV。等離子滲氮和鍍Cr后Cr12MoV表面粗糙度和硬度見表1。

圖4 等離子滲氮Cr12MoV的組織形貌

表1 等離子滲氮和鍍Cr后Cr12MoV表面粗糙度和硬度

3.2 等離子滲氮Cr12MoV的磨損性能

等離子滲氮和鍍Cr后Cr12MoV的摩擦磨損性能見表2，可以發現，等離子滲氮Cr12MoV的摩擦因數和磨損率均小于鍍Cr的Cr12MoV，其中，磨損率降低了130%。

表2 等離子滲氮和鍍Cr后Cr12MoV的摩擦磨損性能

鍍Cr和等離子滲氮的Cr12MoV的磨損表面形貌如圖5所示。可以發現，鍍Cr層表面呈現出顯著的剝落、黏著和比較明顯的犁削特征（圖5a～b），等離子滲氮層表面呈現出比較明顯的犁削特征（圖5c～d），沒有發生滲氮層剝落的特征。由于隨著從表面到基體的距離增大，等離子滲氮Cr12MoV截面硬度是呈梯度以一定幅度減小并最終減小至心部未滲氮部位的基體硬度［6］，在磨損過程中，逐步遞減的截面硬度梯度有利于協調傳遞接觸應力導致的磨損表面變形。鍍Cr的Cr12MoV截面硬度梯度是由硬度高的鍍Cr層與硬度低的基體構成，在磨損過程中，接觸應力導致的鍍Cr層表面變形不能有效協調傳遞至基體，易造成鍍Cr層變形不協調而產生裂紋和剝落。另外，等離子滲氮Cr12MoV的表面硬度高于鍍Cr的Cr12MoV，含氮化物的擴散層對表面的氮化物層起到有效的支撐作用，在磨損過程中，磨損表面硬的微凸體不易壓入氮化物層，只能輕微地犁削氮化物層，故磨損表面由完整的氮化物層構成，相較于由不完整的Cr構成的磨損表面，完整的氮化物層有效地降低了摩擦因數和磨損率［7-13］。

圖5 鍍Cr和等離子滲氮的Cr12MoV的磨損表面形貌

4 生產應用情況

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經過滲氮處理后，表面的耐磨性、抗疲勞作用、抗熱、抗蝕、硬度和抗咬合性能優越。根據失效分析結果和表面改性的試驗結果，采用等離子滲氮工藝制備了內模，工藝路線為：半精加工→淬火→回火→精磨→等離子滲氮→拋光。等離子滲氮的內模如圖6所示，內模的形狀精度（圓度）約為5μm，提高使用壽命約50%，解決了模具失效問題。這說明等離子滲氮工藝相對鍍鉻工藝，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和更大的經濟效益。

圖6 等離子滲氮的內模示意

5 結 論

（1）“啃口”式的滑動磨損和鍍Cr層的內應力導致鍍Cr層產生微裂紋和剝落，形成Cr/Cr的磨損，進而導致模具表面鍍Cr層發生更顯著的裂紋特征和大塊剝落特征，相對較軟的鋼管在高應力作用下擠入剝落區，導致模具發生黏著磨損，犁削和黏著磨損是鍍Cr模具失效的主要原因。

（2）Cr12MoV合金的等離子滲氮層厚度約為0.23 mm，表面精度高，硬度和摩擦磨損特性優于鍍Cr的Cr12MoV合金，磨損過程中發生犁削特征，不發生表面剝落現象。

（3）等離子滲氮模具形狀精度（圓度）高，使用壽命較鍍Cr模具高約50%。