可控離子滲入對新型熱作模具鋼高溫耐磨性能的影響

李文明， 羅德福， 廖宏毅， 潘虹吉

(1. 湖南紅宇智能制造有限公司， 湖南 長沙 410600；2. 西華大學 材料科學與工程學院， 四川 成都 610036)

熱作模具是制造業中最為依賴的一項工具，使用過程中要經受升溫和降溫的交變作用，工況惡劣[1-3]。常見問題有在高溫載荷下導致的磨損，熱沖擊造成的疲勞開裂以及周期性熱循環作用引起的強度降低等缺陷[4]。為了滿足熱作模具鋼的使用性能要求，科研工作者在新型熱模鋼基材研發和模具表面強化技術開發兩方面做了大量工作。選用一種具有良好的力學性能，同時也很適合進行滲氮處理的新型熱作模具鋼基材，是解決熱作模具鋼延壽難題的主要思路。新型熱作模具鋼組分中Cr、Ni、Mo、W、V、Nb等與N的親和力大于Fe，可控離子滲入(Programmable ion permeation, PIP)處理后形成的細小彌散氮碳化合物具有高硬度和優良的抗高溫磨損性能。國內針對滲氮模具鋼進行了500 ℃高溫耐磨性能試驗[5-6]，而且細長管類零部件氮碳共滲后耐磨防腐性能較傳統工藝有較大提升[7]。美國、韓國對Cr-Mo-V系熱作模具鋼進行滲氮處理，發現可以提高熱作模具鋼的耐高溫磨損性能[8-9]。國內外也有大量針對在高溫、高壓等類似苛刻環境工作的零部件進行滲氮處理，從而提高材料的壽命研究[10-11]。因此，本文研究了PIP技術處理的新型熱作模具鋼在室溫到800 ℃高溫環境范圍內耐磨性能的變化規律，以期為生產中模具延壽提供理論指導。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

本試驗選用25Cr3Mo3NiNbZr熱作模具鋼，利用光譜分析儀對該材料進行化學成分測定，結果見表1。

材料調質工藝：1050 ℃×2 h淬火，油淬，620 ℃×2 h回火。調質后顯微組織為回火馬氏體+碳化物，基體硬度為45～51 HRC。然后采用線切割將材料切成尺寸為φ40 mm×5 mm的磨損試樣。試樣滲氮采用可控離子滲入技術處理，具體PIP工藝參數為溫度550 ℃，時間2.5 h，CNO濃度為36%～40%。

表1 新型熱作模具鋼的化學成分(質量分數，%)

1.2 試驗方法

磨損試驗在HT-1000高溫摩擦磨損試驗機上進行，試樣加熱到試驗溫度后進行磨損試驗。磨損結束后停機打開罩蓋冷卻30 min，用鑷子取出試樣。在超聲波丙酮溶液中振動清洗除去試樣表面油污，電吹風吹干后稱量準備試驗。環境試驗溫度分別選取25、600和800 ℃，載荷為150 N，轉速560 r/min，對磨時間10 min，對磨材料為高硬度φ5 mm的SiC球。每經歷1個周期磨損后，取下試樣，采用超聲波振動清洗試樣并用電吹風對試樣進行干燥，然后用電子分析天平稱量試樣的質量，求出同一溫度下3個試樣的平均質量損失。

將不同溫度下摩擦磨損后的試樣切片、鑲嵌，采用450～1200目的砂紙打磨并拋光至鏡面。鑲嵌樣經酒精擦拭后，吹干表面，采用4%(體積分數)的FeCl2溶液腐蝕試樣。沖洗吹干后使用4-XC光學顯微鏡觀察滲層顯微組織。利用HV1000型顯微硬度計測試試樣表面和截面硬度，載荷砝碼100 g。利用Smartlab-9KW型X射線衍射儀檢測經常溫、600 ℃和800 ℃磨損后試樣滲層物相結構。衍射條件：鈷靶輻射，電壓40 kV，電流40 mA，掃描速度為2°/min，測試范圍為30°～120°。根據X射線衍射測試數據結合PDF卡片庫檢索，對滲層物相進行標定。

將試驗后磨損試樣的磨損面切成5 mm×5 mm×2 mm的SEM樣片，然后用無水乙醇超聲波清洗15 min，電吹風吹干備用。利用MAIA-3XMH型場發射掃描電鏡和基恩士VH5000觀察磨損試樣表面形貌和磨痕尺寸，分析試樣經PIP技術處理后的高溫磨損機制。

2 試驗結果及討論

2.1 顯微組織

新型熱作模具鋼試樣在室溫、600 ℃和800 ℃環境中磨損后的顯微組織如圖1所示。其中圖1(a～c)為未經PIP處理的試樣，圖1(d～f)為PIP處理試樣。由圖1可知，PIP處理后試樣由表及里依次為氧化物層、氮碳復合滲層和基體組織，不同溫度磨損后試樣滲層厚度分別為41(Fe2-3N組織)、40(Fe2-3N組織)和57 μm (過飽和馬氏體組織)。磨損環境溫度低于600 ℃ 時，試樣滲層組織不發生改變。磨損環境溫度為800 ℃時，組織已發生明顯變化。后面將通過硬度梯度和XRD物相檢測作進一步分析。

2.2 顯微硬度

圖2為PIP處理新型熱作模具鋼試樣在常溫、600 ℃和800 ℃ 3個溫度下磨損后的截面硬度梯度分布。由圖2可知，試樣表面的硬度呈現由表及里逐漸降低的趨勢[12]。常溫磨損后表面硬度為1262 HV0.1，基體硬度值為390 HV0.1，表面硬度約為基體硬度的3.2倍。600 ℃磨損后表面硬度為1293 HV0.1，基體硬度值為379 HV0.1，表面硬度約為基體硬度的3.4倍。常溫和600 ℃磨損條件下，試樣的有效硬化層深約為0.09 mm。經800 ℃高溫磨損后，試樣表面硬度為685 HV0.1，基體硬度為308 HV0.1，表面硬度約為基體硬度的2.2倍，有效硬化層深0.05 mm。另外，試樣在600 ℃環境中磨損后的截面硬度曲線同常溫環境中的磨損硬度曲線基本一致。

圖1 不同溫度磨損后熱作模具鋼的顯微組織(a～c)未處理；(d～f)PIP處理；(a，d)25 ℃；(b，e)600 ℃；(c，f)800 ℃Fig.1 Microstructure of the hot-working die steel after wear at different temperatures(a-c) untreated; (d-f) PIP treated;(a,d) 25 ℃; (b,e) 600 ℃; (c,f) 800 ℃

圖2 PIP處理熱作模具鋼試樣經不同溫度磨損試驗后截面顯微硬度分布Fig.2 Cross section microhardness distribution of PIP treated hot-working die steel specimens after wear at different temperatures(a) 25 ℃; (b) 600 ℃; (c) 800 ℃

2.3 耐磨性能

圖3為新型熱作模具鋼在常溫、600 ℃和800 ℃磨損試驗后的磨損量和摩擦因數曲線。由圖3(a)可知，試樣經PIP處理后磨損量大幅降低。常溫時未處理試樣磨損量為23.4 mg，PIP處理后試樣磨損量為11.5 mg，通過PIP處理后試樣的耐磨性能提高約1倍。高溫時未處理試樣同PIP處理試樣磨損量差異變小，主要原因是高溫時試樣表面磨損減量的同時會發生氧化增量的情況，且溫度越高氧化增量越大。由圖3(b～d)可知，PIP處理試樣的摩擦因數要低于未處理試樣，隨著磨損溫度的升高，PIP處理試樣表面的摩擦因數也逐漸降低。PIP處理后試樣表面形成的Fe3O4膜可降低試樣表面的摩擦因數。隨著磨損溫度的升高，表面氧化膜中Fe3O4相將向FeO相轉變，使得摩擦因數降低[13-14]。同時磨損過程中產生的磨屑也能起到一定的潤滑作用。

圖3 熱作模具鋼在不同磨損溫度下的磨損量(a)和摩擦因數(b～d)Fig.3 Wear loss(a) and friction coefficient(b-d) of the hot-working die steel after wear at different temperatures (b) 25 ℃; (c) 600 ℃; (d) 800 ℃

2.4 磨損形貌

圖4 熱作模具鋼在25 ℃下的磨損形貌(a，b)未處理；(c，d)PIP處理Fig.4 Wear morphologies of the hot-working die steel at 25 ℃(a,b) untreated; (c,d) PIP treated

圖4為新型熱作模具鋼在常溫環境中的磨損形貌。圖4(a，b)為未經PIP處理試樣的表面磨損形貌，試樣表面存在顆粒狀磨屑，且磨削面存在塊狀剝落。圖4(c，d)中PIP處理試樣表面的氧化膜因受SiC球的擠壓出現破裂，磨削面未有顆粒和剝落現象。由 2.3 節及圖4可說明PIP處理在試樣表面形成的氧化膜能降低試樣表面的摩擦因數，形成的化合物層能增加試樣的抗磨損性能。由圖4(b，d)可知，PIP處理后試樣磨痕淺，耐磨性提升。

圖5為新型熱作模具鋼在600 ℃高溫環境下的表面磨損形貌。由圖5(a，c)可知，在600 ℃高溫環境下PIP處理試樣磨痕較未處理試樣淺，基體抗塑性變形能力強。當磨損試驗溫度升高至600 ℃時，未處理試樣磨痕中心產生了許多U型凹槽，深30～50 μm，寬約400 μm，磨痕附近產生平行于表面的粘著磨損形貌[15]。PIP處理試樣磨痕深度和寬度均小于未處理試樣，表明PIP處理可增強高溫和熱應力條件下的抗塑性變形能力，提高基體耐磨性能[16]。

圖5 熱作模具鋼在600 ℃下的磨損形貌(a，b)未處理；(c，d)PIP處理Fig.5 Wear morphologies of the hot-working die steel at 600 ℃(a,b) untreated; (c,d) PIP treated

圖6為新型熱作模具鋼在800 ℃高溫環境下的表面磨損形貌。圖6(a，b)為未處理試樣，圖6(c，d)為PIP處理試樣。由圖6可知，在800 ℃高溫環境下，未處理試樣磨痕寬約1.2 mm，深約60 μm；PIP處理試樣磨痕寬約0.9 mm，深約30 μm。未處理試樣表面發生明顯熱軟化，塑性變形使得磨削面變得平整光滑，磨痕深度同PIP處理試樣差異不大。隨著PIP處理試樣表面氧化膜增厚，局部應力集中出現破損，形成顆粒氧化物。

由圖4、圖5和圖6可知，PIP處理提高了新型熱作模具鋼基材的高溫抗塑性變形能力，降低了試樣表面的摩擦因數，增強了試樣的耐磨性。隨著磨損環境溫度的升高，試樣表面形成的氧化膜和氧化物顆粒具有一定的減磨效果。常溫時試樣的磨損機制為粘著磨損，高溫時試樣磨損機制為氧化磨損和粘著磨損[17]。

2.5 XRD物相分析

圖7為新型熱作模具鋼PIP處理前后的X射線衍射圖譜。由圖7(a)可知，PIP處理后試樣表層形成了Fe2-3N、Fe4N和Fe3O4(Fe3O4相用砂紙磨掉，防止影響內部滲層組織檢測)。圖7(b)為磨損試樣XRD圖譜的局部放大，未處理熱作模具鋼試樣在600 ℃磨損后表面析出M2C，形成α-Fe馬氏體組織。由圖7(b)衍射圖譜可知，溫度低于600 ℃時，PIP處理試樣表面形成的Fe2-3N和Fe4N相可以穩定存在，阻礙了X射線的穿透，使得衍射圖譜中α-Fe相衍射峰值變弱。溫度達到800 ℃時，Fe2-3N和Fe4N相分解，最終形成過飽和的含氮α-Fe相，使得衍射圖譜中α-Fe相衍射峰值變強。這也很好地解釋了圖2(c)中試樣在800 ℃環境中磨損后，其表層的截面硬度比室溫和600 ℃磨損試樣要下降許多的原因，但其硬度仍然高于基體硬度。

圖6 熱作模具鋼在800 ℃下的磨損形貌(a，b)未處理；(c，d)PIP處理Fig.6 Wear morphologies of the hot-working die steel at 800 ℃(a,b) untreated; (c,d) PIP treated

圖7 新型熱作模具鋼在不同磨損溫度下的X射線衍射圖譜Fig.7 X-ray diffraction patterns of the novel hot-working die steel after wear at different temperatures

3 結論

1) 新型熱作模具鋼試樣經PIP處理后(溫度550 ℃，保溫2.5 h)，試樣表面形成厚度約40 μm、硬度高于1250 HV0.1的化合物層，滲層物相主要為Fe2-3N、Fe4N和Fe3O4相；環境溫度低于600 ℃時，化合物中的Fe2-3N和Fe4N相可穩定存在，表面硬度值較基體提高了3倍以上，有效硬度層深度為0.09 mm；環境溫度高于800 ℃時，化合物中的Fe2-3N和Fe4N相將分解形成過飽和的含氮α-Fe相，試樣表面硬度較基體提高2.2倍，有效硬化層深0.05 mm。

2) 常溫下未處理試樣的摩擦因數由0.75降低到PIP處理的0.58，隨著磨損溫度的升高，試樣表面氧化膜中Fe3O4相將向FeO相轉變，使得600 ℃時PIP試樣摩擦因數為0.42，800 ℃時表面摩擦因數為0.17。

3) 摩擦試驗溫度升高至600 ℃時，未處理試樣表面發生明顯塑性變形和熱軟化現象，產生平行于表面的粘著磨損特征，PIP處理試樣表面氧化膜破裂，產生氧化物顆粒，伴隨發生磨粒磨損特征；摩擦試驗溫度高于800 ℃時，未處理試樣表面發生明顯熱軟化和塑性變形，磨痕寬度增加到1.2 mm，PIP處理試樣開始出現熱軟化，磨損機制以氧化磨損和粘著磨損為主。