離子滲氮SDDM鋼模具耐磨性的試驗與數值研究

楊子帥 吳博雅 李奇穎 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）

前軸是商用車的重要結構件之一，通常熱鍛成形[1]。然而，熱鍛模具在使用中將承受復雜的熱-機械載荷，易發生塑性變形、磨損和疲勞開裂等現象。在熱鍛過程中，模具易因磨損而失效[2]，因此對熱鍛模具磨損行為的研究備受關注。

通過分析多種提高鏈軌節鍛造模具壽命的方案，王剛[3]指出，提高模具耐磨性是提高模具使用壽命的最佳途徑。離子滲氮能顯著提升鋼的耐磨性，且其溫度低、工件畸變小、滲層組織可控，因而應用廣泛[4]。Wang 等[5]通過控制滲氮層組織提高了H13鋼的耐磨性；孫宇鋒等[6]研究了滲氮時間和表面粗糙度對4Cr5Mo2V鋼離子滲氮層高溫磨損性能的影響；施淵吉等[7]指出，離子滲氮可使汽車法蘭盤熱鍛模的使用壽命提高5.5倍；唐磊等[8]將離子滲氮應用于汽車板件熱沖壓模具后，模具壽命約提高了5倍。

為了進一步提高汽車前軸熱鍛模的耐磨性，本文對前軸模具用SDDM鋼進行離子滲氮，研究了離子滲氮后鋼的組織、力學性能和高溫摩擦磨損特性，并基于高溫摩擦磨損試驗建立了Archard磨損模型，通過數值模擬研究了離子滲氮對SDDM鋼前軸熱鍛模具磨損量的影響，以期為提高前軸熱鍛模具的使用壽命提供借鑒。

1 試驗材料及方法

SDDM鋼的原始狀態為退火態，其化學成分如表1所示。根據企業實際生產對模具硬度的要求，對試驗用SDDM鋼進行了1 030℃淬火和620℃兩次回火，使其硬度達到了46 HRC。

表1 試驗用SDDM鋼的化學成分（質量分數）Table 1 Chemical composition of the investigated SDDM steel（mass fraction） %

目前關于SDDM鋼離子滲氮的研究較少，文獻[9-12]的滲氮工藝為：滲氮介質為純NH3，溫度530 ℃，時間8 h，爐壓480 Pa，電壓800 V，NH3流量為600 mL/min。

磨損試驗在Bruker UMT-3型球-盤線性往復式高溫摩擦磨損試驗機上進行，摩擦方式為干摩擦，試驗溫度分別為300、400和500°C，試驗力20 N，對磨時間60 min，滑移行程10 mm，頻率5 Hz，總滑移距離360 m。試樣尺寸為31.8 mm×16.0 mm×4.1 mm。摩擦副為SiC陶瓷球，直徑9.5 mm，硬度2 800 HV。用精度為0.1 mg的電子天平測量試樣的磨損質量損失，然后除以鋼的密度計算磨損體積。通過公式Ws＝V/（p×d）計算磨損率，V為磨損體積，p為載荷，d為總滑移距離。采用掃描電子顯微鏡觀察試樣磨損面形貌。采用顯微硬度計測定試樣滲層的硬度。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織和力學性能

圖1是SDDM鋼離子滲氮層的微觀形貌。可以看出，表面白亮層的厚度約12 μm，致密均勻；擴散層較厚，且有少量脈狀氮化物（又稱脈狀組織），總體上離子滲氮效果較好。

圖1 SDDM鋼離子滲氮層的微觀形貌Fig.1 Micrograph of the ion-nitrided layer of SDDM steel

圖2為SDDM鋼離子滲氮層的X射線衍射圖譜。可以看出，滲氮層中的氮化物為ε-Fe3N和γ′-Fe4N，ε-Fe3N具有較高的硬度，而γ′-Fe4N具有較好的韌性和強度，兩者在一定程度上對提高鋼的耐磨性有很大作用[10]，且沒有與基體對應的α-Fe峰，說明滲氮的SDDM鋼化合物層比較致密均勻。

圖2 SDDM鋼離子滲氮層的X射線衍射圖譜Fig.2 X-ray diffraction patterns of the ion-nitrided layer of SDDM steel

滲氮試樣滲層的顯微硬度分布如圖3所示。為了避免白亮層疏松對表面硬度的影響，將距離試樣表面25 μm處的硬度作為表面硬度[13-14]。由圖3可知，經離子滲氮的SDDM鋼的表面硬度高達935 HV0.2。根據GB/T 11354—2005《鋼鐵零件滲氮層深度測定和金相組織檢驗》，采用硬度梯度法測量滲層深度，以試樣表面至比基體硬度高50 HV0.2處的垂直距離作為滲層深度，則SDDM鋼滲氮層深度約為200 μm，且硬度梯度較平緩。

圖3 SDDM鋼離子滲氮層的硬度梯度Fig.3 Hardness gradient in the ion-nitrided layer of SDDM steel

2.2 摩擦因數與磨損率

圖4為300～500℃摩擦磨損試驗時未離子滲氮和經離子滲氮的SDDM鋼的摩擦因數隨試驗時間的變化。由圖4可知，400℃試驗時，未滲氮和滲氮的SDDM鋼的摩擦因數變化曲線基本重合，而在300和500℃試驗時兩者有顯著差異，未滲氮的SDDM鋼的摩擦因數大于滲氮的SDDM鋼。通常，摩擦因數越小，磨損程度越小，材料的耐磨性越好[15-16]。圖5是未經過和經過離子滲氮的SDDM鋼的磨損率。可以看出，離子滲氮的SDDM鋼在300、400和500℃試驗后的磨損率分別下降了55.57% 、71.82% 和59.98% 。這表明離子滲氮可提高SDDM鋼在300～500℃溫度下的耐磨性。

圖4 未滲氮和離子滲氮的SDDM鋼的摩擦因數隨在300（a）、400（b）和500℃（c）摩擦磨損試驗時間的變化Fig.4 Variation of friction coefficient of the unnitrided and ion-nitrided SDDM steel with duration of friction-wear test at 300（a），400（b）and 500 ℃ （c）

圖5 未經過和經過離子滲氮的SDDM鋼在300～500℃摩擦磨損試驗后的磨損率Fig.5 Wear rate of the unnitrided and ion-nitrided SDDM steel after friction-wear test at 300 to 500℃

2.3 磨損機制

圖6為未離子滲氮和經離子滲氮的SDDM鋼摩擦磨損試驗后的磨損面形貌。試驗溫度為300℃時，未滲氮和滲氮的SDDM鋼的磨損面都出現了犁溝，如圖6（a，b）所示，發生了磨粒磨損，是鋼的表面因高溫軟化而局部塑性變形并脫落，脫落的磨屑作為磨粒而導致的。未滲氮的SDDM鋼磨損面犁溝較深，滲氮的SDDM鋼磨損面犁溝較淺且不連續。這是因為滲氮的SDDM鋼表面硬度較高，有效遏制了高溫軟化和塑性變形的發生。

圖6 未經過（a，c，e）和經過（b，d，f）離子滲氮的SDDM 鋼在300（a，b）、400（c，d）和500 ℃（e，f）摩擦磨損試驗后的微觀形貌Fig.6 Micrographs of the unnitrided （a，c，e）and ion-nitrided （b，d，f）SDDM steel after friction-wear test at 300 （a，b），400 （c，d）and 500 ℃（e，f）

400℃試驗時，未滲氮的SDDM鋼的磨損面出現了一些剝落坑，發生了黏著磨損，剝落坑周邊是剝落氧化物轉移形成的摩擦氧化物層，如圖6（c）所示；圖6（d）的犁溝形貌表明滲氮的SDDM鋼仍發生了磨粒磨損，且氧化物被磨粒擠壓至犁溝兩側而形成條帶狀氧化層。然而與未滲氮的SDDM鋼相比，氧化物并沒有剝落而導致明顯的黏著磨損。

500℃試驗時，未滲氮的SDDM鋼主要發生氧化磨損，氧化物在高溫和試驗力的作用下來不及轉移即被壓實，形成光滑的磨損面，如圖6（e）所示；而圖6（f）表明，滲氮的SDDM鋼磨損面有小剝落坑，僅發生了輕微的黏著磨損，由于剝落的氧化物較少且被壓平，磨損面較光滑。

2.4 Archard磨損模型

目前，在模具磨損的有限元模擬方面，通常采用Archard磨損模型預測鍛件成形過程中模具的磨損量，其一般表達式為[17-19]：

式中：V為磨損體積；K為磨損系數；F為工件與材料接觸面的法向壓力；L為模具與工件之間的切向相對滑移距離；H為模具洛氏硬度。根據此模型，當F和L分別為本文高溫摩擦磨損試驗的試驗力和總滑移行程，而V和H分別為未離子滲氮和經離子滲氮的SDDM鋼的磨損體積和表面硬度時，參考朱光明[20]整理的硬度的換算關系：

得到離子滲氮的SDDM鋼表面硬度約為68 HRC，則未滲氮和滲氮的SDDM鋼在300～500℃的磨損系數K如圖7所示。可見在相同溫度下，離子滲氮的SDDM鋼的磨損系數小于未滲氮的SDDM鋼，表明離子滲氮能提高SDDM鋼的耐磨性。

圖7 未經過和經過離子滲氮的SDDM鋼在300～500℃的磨損系數Fig.7 Wear coefficients of the unnitrided and ionnitrided SDDM steel at 300 to 500℃

3 前軸熱鍛模具磨損的數值模擬

基于上述構建的Archard磨損模型，采用有限元方法建立了前軸第一道次輥鍛過程的數值模型，如圖8所示，進而研究離子滲氮對SDDM鋼前軸熱鍛模磨損的影響。在模具磨損數值模擬過程中，模具材料SDDM鋼的物性參數通過JMatPro軟件計算獲得，如熱導率、比熱容和彈性模量等，且為溫度的函數，模具預熱溫度為150℃，鍛造速率為15 r/min；坯料的初始尺寸為φ130 mm×1 075 mm，材料為42CrMo鋼，物性參數從DEFORM?軟件查得，初始溫度為1 150℃，環境溫度為20℃，模具與坯料間的換熱系數為11 000 W/（m2·K）。

圖8 汽車前軸輥鍛第一道次有限元模型Fig.8 Finite element model of preliminary rollforging for automobile front axle

4 模擬結果與分析

圖9為未離子滲氮和離子滲氮的SDDM鋼模具連續鍛造5件汽車前軸后的磨損深度分布，為便于對比，將模具表面磨損深度大于4.0×10－5mm的區域定義為嚴重磨損區域（紅色）。可以看出，滲氮的SDDM鋼模具的嚴重磨損區域面積很小，與未滲氮模具差異明顯，表明離子滲氮可顯著降低SDDM鋼模具的磨損量。圖10為連續鍛造5、10和15件前軸后未離子滲氮和經離子滲氮的SDDM鋼模具的最大磨損深度。由圖10可知，未滲氮的SDDM鋼模具的最大磨損深度均明顯大于滲氮的SDDM鋼模具，在連續鍛造15件前軸后，未滲氮的SDDM鋼模具最大磨損深度達4.43×10－4mm，而滲氮的SDDM鋼模具僅為2.57×10－4mm，模具最大磨損深度減小了約42% ，離子滲氮可顯著提高SDDM鋼模具的耐磨性。

圖9 未經過（a）和經過（b）離子滲氮的SDDM鋼模具連續鍛造5件前軸后的磨損深度分布Fig.9 Wear depth distributions of the unnitrided（a）and ion-nitrided（b）SDDM steel dies after continuously forging 5 pieces of front axle

圖10 連續鍛造5、10和15件前軸后未離子滲氮和離子滲氮的SDDM鋼模具的最大磨損深度Fig.10 Maximum wear depths of the unnitrided and ion-nitrided SDDM steel dies after continuously forging 5，10 and 15 pieces of front axle

5 結論

（1）離子滲氮的SDDM鋼的滲層由連續致密的化合物層和擴散層組成，化合物層為ε-Fe3N和γ′-Fe4N，表面硬度達935 HV0.2，且硬度梯度平緩，厚度約200 μm。

（2）離子滲氮的SDDM鋼的摩擦因數和磨損率下降，在300和400℃時發生磨粒磨損，500℃時發生黏著磨損，離子滲氮能提高SDDM鋼的耐磨性。

（3）連續鍛造15件汽車前軸后，未離子滲氮的SDDM鋼模具最大磨損深度達4.43×10－4mm，而經離子滲氮的SDDM鋼模具的最大磨損深度僅為2.57×10－4mm，約下降了42% 。