M2高速鋼的高溫摩擦磨損行為

顧繩初 朱麗慧段元滿吳曉春顧炳福

(1.上海大學材料科學與工程學院，上海 200444；2.江蘇省福達特種鋼有限公司，江蘇 揚中 212200)

M2高速鋼(W6Mo5Cr4V2)是我國最常用的一種通用型高速鋼，其擁有良好的紅硬性、耐磨性、強度和韌性配合，且便于加工，因此主要用來制造各種切削刀具和工模具。M2高速鋼制造的刀具，由于具有性能優良、價格相對較低等優點，得到了廣泛應用[1-3]。高速鋼刀具常因為機械摩擦導致刃部變鈍喪失切削能力[4]。在切削加工過程中，高速鋼刀具溫度可以達到550～600 ℃[4]。因此，研究切削刀具用高速鋼的高溫摩擦磨損行為具有非常重要的意義。梁曉陽等[5]指出：200 ℃下M2高速鋼的磨損形式以粘著磨損為主，同時存在氧化磨損。張海峰等[6]研究表明：在200 ℃以下，M2高速鋼的磨損量變化較小，磨損形式主要是微觀的犁削和切削；超過200 ℃之后，磨屑粘附表面，且形成潤滑作用良好的氧化膜，使摩擦因數降低。Pellizzari等[7]研究表明：軋輥用高速鋼的磨損形式為磨粒磨損、粘著磨損和氧化磨損，以磨粒磨損為主。Tieu等[8]研究了軋輥用高速鋼的摩擦行為，發現試樣表面生成了致密均勻的氧化層，軋輥表面溫度過高會導致氧化層剝落并粘著在軋輥表面。由此可見，溫度對高速鋼的高溫摩擦磨損性能有重要影響，但目前,關于M2高速鋼這方面的研究還有待進一步深入。

本文選取國產M2高速鋼，在200、400和600 ℃進行摩擦磨損試驗。采用掃描電鏡觀察磨損表面形貌，分析不同溫度下的磨損機制，探討溫度對摩擦因數、磨損體積的影響，以期為提高M2高速鋼刀具的高溫耐磨性提供借鑒。

1 試驗材料及方法

試驗材料為國內某廠提供的φ100 mm的M2高速鋼退火態棒材，其化學成分如表1所示。棒材經1 200 ℃真空淬火，550 ℃×1 h回火3次后，硬度約63 HRC。摩擦磨損試樣取自熱處理后棒材的1/4直徑處，試樣尺寸為10 mm×10 mm×36 mm，表面粗糙度Ra=0.19 μm。

表1 M2高速鋼的化學成分(質量分數)

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。摩擦副為SiC陶瓷球，直徑為9.5 mm，硬度為2 800 HV，表面粗糙度Ra=0.13 μm。試驗溫度分別選取200、400和600 ℃，試驗環境為大氣環境且無潤滑。摩擦時間1 h，載荷35 N，頻率5 Hz，摩擦行程10 mm，總滑移距離360 m。試驗過程中，摩擦因數由試驗機實時采集并保存。試驗后, 用超聲波清洗試樣，采用Bruker Contour GT-K型光學輪廓儀測量試樣表面輪廓和磨損體積。采用Zeiss Supra40型場發射掃描電鏡觀察試樣磨損表面形貌，并用配套的能譜儀進行成分分析。

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織

圖1為M2高速鋼淬-回火態的顯微組織。如圖1(a)所示，晶界存在顆粒較大、形狀不規則的共晶碳化物。此外，晶界和晶內還彌散分布著小顆粒碳化物(見圖1(b))。采用Image-Pro Plus軟件統計5張SEM照片，得出小顆粒碳化物的平均尺寸約1 μm。

圖1 M2高速鋼淬-回火態的顯微組織

2.2 摩擦因數

圖2(a)和2(b)分別為不同溫度下M2高速鋼的摩擦因數隨時間的變化曲線和穩態時的摩擦因數。200 ℃時，摩擦因數波動較大；400和600 ℃時摩擦因數波動減小，且數值低于200 ℃，如圖2(a)所示。由圖2(b)可見，穩態時的摩擦因數隨溫度升高先降低隨后趨于平穩，200、400和600 ℃下的摩擦因數分別為0.65、0.39和0.40。

圖2 200、400和600 ℃下M2高速鋼的摩擦因數隨時間變化曲線(a)和穩態時的摩擦因數(b)

2.3 磨損體積

圖3為200、400和600 ℃下M2高速鋼的磨痕輪廓和磨痕輪廓曲線。隨著溫度的升高，試樣的磨痕深度先顯著增大后減小。200 ℃下磨痕較淺，最大深度約為7 μm；400和600 ℃下磨痕最深處分別約為48和37 μm。但磨痕寬度隨溫度變化不明顯。

根據輪廓儀測定的磨痕輪廓計算磨損體積。圖4為M2高速鋼在不同溫度下的磨損體積。磨損體積隨溫度的變化與圖3中磨痕深度的變化規律相同。隨著溫度的升高，磨損體積先增大后減小，400 ℃時磨損體積最大，約2.1×108μm3，分別是200和600 ℃的15倍和1.2倍?？梢姡囼灉囟葘2高速鋼的耐磨性影響顯著。

圖4 200、400和600 ℃下M2高速鋼的磨損體積

圖3 M2高速鋼的磨痕輪廓和磨痕輪廓曲線

2.4 磨損形貌及機制

圖5為200 ℃下M2高速鋼的磨損表面形貌及EDS成分分析。磨損表面有犁溝特征，部分區域有塊狀粘著物，見圖5(a)。犁溝處(圖5(a)中點1，其能譜分析見圖5(b))表面存在輕微氧化；而塊狀粘著物(圖5(a)中點2，其能譜分析見圖5(c))氧含量較高，表明摩擦生成了氧化物[9]。

圖5 200 ℃下M2高速鋼磨損試驗后的磨損表面形貌(a)及能譜分析(b～c)

沿著摩擦方向的犁溝的產生是由于磨損過程中部分剝落的碳化物顆粒和產生的磨屑在摩擦副之間摩擦試樣表面，是典型的磨粒磨損特征[10]。同時，磨球對試樣施加載荷會造成接觸面發生局部粘著，而后在相對滑動過程中，粘著處被剪切形成塊狀剝落，部分塊狀剝落的氧化物再被磨球壓實，進而形成凸起的塊狀氧化層[11]，這是粘著磨損的典型特征。摩擦副相對運動時，表面的塑性變形加速了氧向金屬內部擴散，形成氧化層。由于形成的氧化膜強度低，會被磨球剝落，產生氧化磨損[12]。可見200 ℃時，磨損形式主要是磨粒磨損，同時存在粘著磨損和輕微的氧化磨損。梁曉陽等[5]認為：200 ℃下M2高速鋼的磨損以粘著磨損為主，也存在氧化磨損。這與本文試驗結果略有差異，可能是由于兩者的試驗條件不同(本文試驗：載荷35 N，試樣采用磨床加工；梁曉陽：載荷19.6 N，試樣表面拋光)。本文試驗條件下M2高速鋼的粘著傾向較小，導致了磨粒磨損為主的磨損機制。在以磨粒磨損為主的磨損過程中，鋼中碳化物顆粒能阻礙SiC球直接接觸基體表面，起到了良好的減磨作用。因此，200 ℃時M2高速鋼的磨損體積較小。由于碳化物對磨球滑動的阻力較大，因此摩擦因數較大。磨球經過試樣表面大顆粒碳化物和塊狀氧化物時，摩擦阻力會產生相應變化，造成了摩擦因數的明顯波動(見圖2(a))。

400 ℃下M2高速鋼的磨損表面形貌及其能譜分析見圖6。磨損表面較為平整光滑，氧含量較200 ℃下有所增加(圖6(a)中點3，其能譜分析見圖6(b))。表面塊狀粘著物(圖6(a)中點4，其能譜分析見圖6(c))數量較多，且氧含量較高。此外，還存在大量較長的平行于摩擦方向的塊狀剝落坑。

圖6 400 ℃下M2高速鋼磨損試驗后的磨損表面形貌(a)及能譜分析(b～c)

閆國斌等[11]對M50高速鋼的研究表明：400 ℃下，由于環境溫度和摩擦熱的共同作用，摩擦副界面材料發生軟化熔融，形成金屬膜，磨損以金屬膜的粘著破壞為主。因此，此時M2高速鋼的主要磨損形式為粘著磨損和氧化磨損，以粘著磨損為主。由于400 ℃下粘著磨損較為嚴重，導致磨損體積較200 ℃時顯著增大。由于表面軟化熔融和較多的具有潤滑作用的摩擦氧化物[12]的形成，摩擦副微接觸點處的剪切阻力大幅度降低，600 ℃下的摩擦因數較200 ℃時明顯下降，且其波動有所減小。

600 ℃下M2高速鋼的磨損表面更加光滑，如圖7(a)所示，同時沿著摩擦方向有較大的塊狀剝落。能譜分析顯示，平整處(圖7(a)中點5，其能譜分析見圖7(b))氧含量較高。圖7(c,d)面掃描結果顯示：整個磨損表面氧分布均勻，且未觀察到碳化物顆粒。由此可見，試樣表面完全被氧化層覆蓋。

圖7 600 ℃下M2高速鋼磨損試驗后的磨損表面形貌(a、c)及能譜點分析(b)和面分布(d)

此時，M2高速鋼的磨損形式以氧化磨損為主，其磨損體積較400 ℃時有所減小。這是由于：在磨損初期，以粘著磨損為主；隨著磨損的進行，表面氧化程度逐漸增大，當氧化層完全覆蓋后，阻礙了磨球直接接觸基體，從而使600 ℃的磨損體積較400 ℃有所減小。和400 ℃時相似，由于高溫下接觸點材料的軟化熔融，加之氧化物的潤滑作用，600 ℃下的摩擦因數較200 ℃時明顯降低，波動減小。

3 結論

(1)M2高速鋼在200 ℃下為磨粒磨損、粘著磨損和輕微的氧化磨損，以磨粒磨損為主；400和600 ℃下為粘著磨損和氧化磨損，400 ℃以粘著磨損為主，600 ℃以氧化磨損為主。

(2)M2高速鋼在200 ℃下的摩擦因數為0.65，隨著溫度的提高，摩擦因數先降低，隨后趨于平穩，400和600 ℃分別為0.39和0.40。這是由于200 ℃下碳化物阻礙磨球直接接觸基體，使摩擦副相對滑動時的剪切阻力較大，摩擦因數較大。400和600 ℃時由于材料的軟化熔融和氧化層的減磨作用，摩擦因數相近，較200 ℃明顯降低。

(3)隨著溫度的升高，M2高速鋼的磨損體積先增大后減小。400 ℃時磨損體積最大，為2.1×108μm3，分別是200 和600 ℃時的15倍和1.2倍。這是由于400 ℃時粘著磨損嚴重，加劇了磨損；600 ℃時以氧化磨損為主，由于氧化層起良好的減磨作用，磨損減弱。