經離子滲氮的SDCM鋼熱沖壓模具的摩擦磨損行為

李奇穎 吳博雅 楊子帥 黎軍頑

（1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.上海大學省部共建高品質特殊鋼冶金與制備國家重點實驗室，上海 200444）

熱沖壓成形解決了高強鋼板難以冷沖壓成形及沖壓后零件回彈等問題，在汽車生產中應用日益廣泛［1-4］。熱沖壓模具的主要失效形式之一是磨損［5-8］。實際生產中，模具被磨損后，通常進行滲氮處理以提高其表面硬度和耐磨性，從而仍可繼續使用一段時間［9-12］。

國內外在滲氮對模具鋼耐磨性的影響方面進行了很多研究。Zhao等［13］研究了經離子滲氮的H13鋼在不同溫度的耐磨性，確定了其磨損機制。李春紅等［14］發現，滲氮的718H模具鋼的磨損機制為磨粒磨損而不是疲勞磨損。Leite等［8］研究了經脈沖等離子滲氮的H13鋼的組織和磨損機制，結果表明磨損量與滲氮時間成反比。施淵吉等［15］基于Archard理論，采用有限元方法研究了模具的磨損行為，結果表明經離子滲氮的模具壽命提高了5.5倍。

本文對SDCM鋼熱沖壓模具進行了離子滲氮，檢測了滲層的表面硬度、深度和顯微組織，并在200和300℃進行了摩擦磨損試驗，揭示了其磨損機制。此外還建立了Archard摩擦磨損模型，采用有限元方法研究了未滲氮和經離子滲氮的SDCM鋼模具熱沖壓汽車A柱時的磨損行為，并預測了模具的使用壽命，以期為熱沖壓生產提供參考。

1 試驗材料和方法

1.1 試驗材料

試驗用SDCM鋼為新型熱沖壓模具鋼，其化學成分如表1所示。對試驗用鋼進行1 080℃真空油淬和580℃ ×2 h回火兩次，硬度為53 HRC。

表1 研究用SDCM鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the investigated SDCM steel（mass fraction） %

1.2 試驗方法

采用脈沖電源輝光離子滲氮爐進行離子滲氮。滲氮介質為氨氣，其流量為600 mL/min；滲氮溫度530℃，爐壓480 Pa，時間8 h。采用光學顯微鏡檢測滲氮層厚度及顯微組織，采用X射線衍射儀表征滲層物相，采用顯微硬度計測量滲層的表面硬度和硬度梯度。

采用BRUNKER UMT-3型多功能高溫摩擦磨損試驗機分別在200和300℃進行球-平面線性往復式干摩擦磨損試驗，試樣尺寸為31.8 mm×16.0 mm×4.1 mm，試驗力20 N，頻率50 Hz，摩擦行程10 mm，時間60 min，總滑行距離360 m；采用精度為0.1 mg的天平稱量試樣磨損失重并計算磨損率；采用掃描電子顯微鏡對摩擦磨損試驗后試樣的磨損面進行表征。

2 試驗結果與分析

2.1 滲氮結果

圖1為離子滲氮8 h的SDCM鋼的滲層組織。從圖1可以看出，滲氮層由化合物層即白亮層和擴散層組成，擴散層厚度為250 μm，化合物層厚度為12 μm。致密均勻的白亮層硬度高，有利于提高模具的耐磨性［16］。

圖1 SDCM鋼離子滲氮層的微觀組織Fig.1 Microstructure of the ion nitrided layer of SDCM steel

對滲氮的SDCM鋼橫截面進行線掃描，氮含量的變化如圖2所示。從圖2可以看出，在滲層80～120 μm區域氮含量最高，隨后逐漸降低，在距表面160 μm以下的區域趨于平穩。

圖2 SDCM鋼離子滲氮層的線掃描（a）和氮分布（b）Fig.2 Linear scanning（a）and nitrogen distribution（b）across the ion nitrided layer of SDCM steel

圖3為滲氮的SDCM鋼的X射線衍射圖譜。由圖3可知，離子滲氮的SDCM鋼滲層中生成了ε-Fe3N和γ′-Fe4N相，且ε-Fe3N相的峰強明顯大于γ′-Fe4N相。

圖3 離子滲氮的SDCM鋼的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of the ion nitrided SDCM steel

SDCM鋼滲氮層的硬度梯度如圖4所示。由圖4可知，離子滲氮的SDCM鋼表面最高硬度達1 023 HV0.2，距表面200 μm以上部位的硬度梯度逐漸平緩。未滲氮的SDCM鋼表面硬度約為573 HV0.2，滲氮處理使SDCM鋼表面硬度大幅度提高，是未滲氮SDCM鋼的132%。

圖4 SDCM鋼離子滲氮層的硬度梯度Fig.4 Hardness gradient in the ion nitrided layer of SDCM steel

2.2 高溫摩擦磨損性能

圖5為未滲氮和離子滲氮的SDCM鋼在不同溫度的摩擦因數隨摩擦磨損試驗時間的變化。由圖5可知：在200℃摩擦磨損試驗時，滲氮與未滲氮的SDCM鋼的平均摩擦因數約為0.55和0.42，經離子滲氮的鋼的平均摩擦因數小于未滲氮的鋼，如圖5（a）所示；在300℃摩擦磨損試驗時，滲氮與未滲氮的SDCM鋼的摩擦因數很接近，其平均摩擦因數均約為0.4，表明離子滲氮的SDCM鋼在200～300℃的摩擦因數變化不大，但小于未滲氮的SDCM鋼，耐磨性更好。

圖5 未滲氮和離子滲氮的SDCM鋼的摩擦因數隨在200（a）和300℃（b）摩擦磨損試驗時間的變化Fig.5 Variation of friction coefficient of the non-nitrided and ion nitrided SDCM steel with duration of friction-wear test at 200（a）and 300 ℃（b）

為了定量分析經離子滲氮的SDCM鋼的耐磨性，用電子天平測量磨損試驗前后試樣的磨損質量損失，按式（1）計算磨損率：

式中：V為磨損體積；ρ為鋼的密度；P為載荷；d為總滑行距離；Ws為磨損率。滲氮和未滲氮的SDCM鋼在200和300℃摩擦磨損試驗后的質量損失和磨損率如表2所示。由表2可知，隨著試驗溫度的提高，滲氮和未滲氮的鋼的磨損質量損失和磨損率均增大。此外，試驗溫度相同，經離子滲氮的SDCM鋼的磨損質量損失和磨損率均小于未滲氮的SDCM鋼，表明離子滲氮有效提高了鋼的高溫耐磨性能。

表2 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼試樣的磨損質量損失和磨損率Table 2 Wear mass loss and wear rate of the ionnitrided and non-nitrided SDCM steel samples

圖6為滲氮和未滲氮的SDCM鋼磨損面的掃描電子顯微鏡照片。圖6（a）為離子滲氮的SDCM鋼在200℃摩擦磨損試驗后的表面形貌，較平整，可觀察到沿滑移方向的平行均勻且細小的犁溝痕跡，表明發生了磨粒磨損；在300℃試驗后，滲氮的SDCM鋼摩擦面可觀察到沿滑移方向的犁溝和氧化物顆粒，說明發生了磨粒磨損和輕微的氧化磨損，如圖6（b）所示。圖6（a，b）表明，在試驗溫度范圍內，溫度的升高對滲氮的SDCM鋼耐磨性的影響較小。由圖6（c）可知，在200℃試驗后，未滲氮的SDCM鋼的摩擦面較粗糙，有塊狀氧化層和剝落坑及較少的犁溝，顯示為粘著磨損；在300℃試驗后，SDCM鋼發生了粘著磨損和明顯的氧化磨損，氧化層面積增大，如圖6（d）所示。

圖6 在200（a，c）和300 ℃（b，d）摩擦磨損試驗后離子滲氮（a，b）和未滲氮（c，d）的SDCM鋼試樣表面的掃描電子顯微鏡形貌Fig.6 Scanning electron micrographs of the ion nitrided （a，b）and the non-nitrided（c，d）SDCM steel samples after friction-wear tests at 200（a，c）and 300 ℃（b，d）

3 熱沖壓模具磨損行為的數值模擬

Archard磨損模型是目前應用最廣泛的磨損計算模型［17-19］，被用于分析模具的磨損行為，其一般表達式為：

式中：V為磨損體積；K為磨損量與工件和模具間的磨損系數；F為模具表面壓力；L為模具與工件間的相對滑動距離；H為模具硬度。采用上述方法并結合高溫摩擦磨損試驗結果，可以確定滲氮和未滲氮的SDCM鋼在200和300℃的磨損系數K 分別為2.78×10－6和4.03×10－6，以及3.70×10－6和7.07×10－6。為研究離子滲氮對熱沖壓模具磨損行為的影響，選擇汽車A柱的頭部作為研究對象，如圖7所示。根據Archard磨損模型建立熱沖壓過程的熱-力耦合數值分析模型。在熱沖壓過程中，坯料和模具的初始溫度分別為800和25℃，沖壓速度為200 mm/s，板料與模具之間的摩擦因數為0.3，成形時間為0.65 s，冷卻流道內水流速率為4 m/s。研究離子滲氮對模具磨損行為的影響時，僅改變模具的硬度和磨損系數，其他熱沖壓成形參數保持不變。

圖7 熱沖壓汽車A柱頭部的有限元模型Fig.7 Finite element model for hot-stamping automobile A-pillar head

4 結果與分析

圖8為熱沖壓汽車A柱頭部過程中滲氮與未滲氮SDCM鋼模具凸模的磨損量分布云圖，為便于對比，僅顯示出了模具磨損深度大于2×10－6mm的部位。由圖8可知，隨著熱沖壓次數的增加，模具的磨損部位主要集中在模具側壁。熱沖壓過程中，離子滲氮的SDCM鋼模具的磨損深度明顯小，顯示出更佳的耐磨性。圖9為15次熱沖壓汽車A柱頭部過程中凸模側壁截面的磨損形貌。由圖9可知，未滲氮的SDCM鋼模具該部位的被磨損區域較滲氮的SDCM鋼模具的大，且更深。圖10為15次熱沖壓汽車A柱頭部過程中滲氮與未滲氮SDCM鋼凸模的最大磨損深度。由圖10可知，熱沖壓過程中未滲氮的SDCM鋼模具的最大磨損深度增量大于經離子滲氮的SDCM鋼模具，且磨損速度明顯更大。熱沖壓15次汽車A柱頭部后，未滲氮的SDCM鋼凸模的最大磨損深度達到了5.9×10－5mm，而離子滲氮的SDCM鋼模具的最大磨損深度僅為3.2×10－5mm，離子滲氮使模具的磨損深度減少了約50%，磨具使用壽命可提高約2倍。

圖8 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼模具磨損深度隨熱沖壓汽車A柱頭部次數變化的云圖Fig.8 Patterns of variation of wearing depth of the ion nitrided and the non-nitrided SDCM steel dies with the number of hot stamping automobile A-pillar head

圖9 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼凸模截面磨損深度隨熱沖壓汽車A柱頭部次數變化的云圖Fig.9 Patterns of variation of wearing depth of the ion nitrided and the non-nitrided SDCM steel terrance die sections with the number of hot stamping automobile A-pillar head

圖10 離子滲氮和未滲氮的SDCM鋼凸模熱沖壓汽車A柱頭部1～15次后的最大磨損深度Fig.10 Maximum wearing depths of the ion nitrided and the non-nitrided SDCM steel terrance dies after hot stamping automobile A-pillar head 1 to 15 times

5 結論

（1）經離子滲氮的SDCM鋼滲層表面為連續致密的ε-Fe3N和γ′-Fe4N氮化物層，滲層厚度約250 μm，表面硬度達1 023 HV0.2，比未滲氮的SDCM鋼提高了132%。

（2）與未滲氮的SDCM鋼相比，離子滲氮的SDCM鋼的摩擦因數和磨損率均顯著下降，離子滲氮明顯改善了SDCM鋼的高溫耐磨性。

（3）在熱沖壓汽車A柱頭部的過程中，模具的磨損主要發生在模具側壁；離子滲氮的SDCM鋼模具在熱沖壓汽車A柱頭部的過程中，磨損深度和磨損速度明顯減小，使用壽命約提高2倍，顯示出了優異的耐磨性。