白植雄等：两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 .907。 KEY WORDS hot work die steel;high temperature wear;wear mechanism;oxide layer;thermal stability 随着模具行业的飞速发展，热作模具钢材料的 当温度超过570℃时还会生成F0.但随着温 高温摩擦磨损性能受到越来越多的关注.热作模具 度升高，基体与氧化层结合力降低，使得氧化层容 钢的服役温度可达到500~700℃，同时承受较大的 易发生剥落，导致氧化层不能起到减磨作用】，因 机械载荷，磨损失效已经成为其主要失效形式之 此，在高温摩擦磨损中氧化磨损是一种主要的磨 一).此外，在热冲压模具钢服役过程中，模具型 损机制. 腔表面与高强钢板直接接触，模具与板材发生相对 本试验选取国外优质热作模具钢DAC55钢和 运动，接触面处的摩擦力导致模具极易发生磨 HTCS-130钢作为研究对象，两种材料均为市场上 损4).因此，热作模具钢的高温耐磨性能对服役寿 常见的热作模具钢，对比研究两种材料在不同的温 命有着重要影响. 度下的耐磨性能，分析不同温度下的磨损机理，对热 由于高温摩擦磨损过程十分复杂，其中不仅涉 作模具钢磨损寿命预测和合金化设计具有重要 及磨损形式变化，还涉及表面氧化层的形成和扩散、 意义 回火软化、微观组织演变等诸多问题，所以国内外的 1试验材料及方法 学者对于高温摩擦磨损进行了大量的研究.Stot 等[)提出了磨损过程中氧化物生成的模型.李类 1.1试验材料及制备 等〔6)发现模具钢在摩擦过程中，合金元素发生定向 两种材料原始状态均为退火态，其化学成分 扩散，氧化物层与基体交界面会形成碳化物层，从而 如表1所示.为了能够客观评价两种材料的耐磨 提高材料的耐磨性.Wang等[门研究发现随着载荷 性能，将两种试验钢通过不同的热处理工艺硬度 的增加，氧化磨损从轻微氧化磨损向严重氧化磨损 均调整至50~51HRC,HTCS-130钢热处理工艺 转变.在磨损过程中，金属氧化物层的形成避免了 为1080℃奥氏体化30min后油冷，再经560、580 金属与金属的附着，能使磨损率降低.有研究发现 和600℃回火2h,DAC55钢则采用1030℃奥氏体 氧化物的结构与类型不仅取决于载荷、滑动速度、环 化30min后油冷，再经560℃回火2h,回火次数为 境温度还取决于材料的成分[8-1].钢铁材料在高温 两次.图1为HTCS-130钢和DAC55钢淬回火组 干摩擦条件下生成的氧化物主要为Fe2O3和Fe3O4, 织形貌图 表1HTCS-130钢和DAC55钢的化学成分（质量分数） Table 1 Chemical composition of HTCS-130 steel and DAC55 steel % 钢号 C Si Mn Cr Mo Ni W Co Fe HT℃S-130 0.31 0.04 0.05 3.70 1.88 余量 DAC55 0.35 0.21 0.53 5.06 2.41 0.61 0.77 0.65 余量 I um I um 图1试验钢回火组织图.(a)HTCS-130钢：(b)DAC55钢 Fig.1 Micrographs of tested steel after tempering:(a)HTCS-130 steel;(b)DAC55 steel 1.2试验方法 干摩擦，试验环境为大气环境，环境温度分别为 摩擦磨损试验在BRUNKER UMT-3型球-盘线 100、300、500和700℃，载荷为20N,对磨时间为60 性往复式高温摩擦磨损试验机上进行，摩擦方式为 min,滑移行程为10mm,频率为5Hz,总滑移路程为白植雄等: 两种热作模具钢的高温摩擦磨损性能 KEY WORDS hot work die steel; high temperature wear; wear mechanism; oxide layer; thermal stability 随着模具行业的飞速发展,热作模具钢材料的 高温摩擦磨损性能受到越来越多的关注. 热作模具 钢的服役温度可达到 500 ~ 700 益 ,同时承受较大的 机械载荷,磨损失效已经成为其主要失效形式之 一[1鄄鄄3] . 此外,在热冲压模具钢服役过程中,模具型 腔表面与高强钢板直接接触,模具与板材发生相对 运动,接触面处的摩擦力导致模具极易发生磨 损[4] . 因此,热作模具钢的高温耐磨性能对服役寿 命有着重要影响. 由于高温摩擦磨损过程十分复杂,其中不仅涉 及磨损形式变化,还涉及表面氧化层的形成和扩散、 回火软化、微观组织演变等诸多问题,所以国内外的 学者对于高温摩擦磨损进行了大量的研究. Stott 等[5]提出了磨损过程中氧化物生成的模型. 李爽 等[6]发现模具钢在摩擦过程中,合金元素发生定向 扩散,氧化物层与基体交界面会形成碳化物层,从而 提高材料的耐磨性. Wang 等[7] 研究发现随着载荷 的增加,氧化磨损从轻微氧化磨损向严重氧化磨损 转变. 在磨损过程中,金属氧化物层的形成避免了 金属与金属的附着,能使磨损率降低. 有研究发现 氧化物的结构与类型不仅取决于载荷、滑动速度、环 境温度还取决于材料的成分[8鄄鄄10] . 钢铁材料在高温 干摩擦条件下生成的氧化物主要为 Fe2O3和 Fe3O4 , 当温度超过 570 益 时还会生成 FeO [11] . 但随着温 度升高,基体与氧化层结合力降低,使得氧化层容 易发生剥落,导致氧化层不能起到减磨作用[12] ,因 此,在高温摩擦磨损中氧化磨损是一种主要的磨 损机制. 本试验选取国外优质热作模具钢 DAC55 钢和 HTCS鄄鄄130 钢作为研究对象,两种材料均为市场上 常见的热作模具钢,对比研究两种材料在不同的温 度下的耐磨性能,分析不同温度下的磨损机理,对热 作模具钢磨损寿命预测和合金化设计具有重要 意义. 1 试验材料及方法 1郾 1 试验材料及制备 两种材料原始状态均为退火态,其化学成分 如表 1 所示. 为了能够客观评价两种材料的耐磨 性能,将两种试验钢通过不同的热处理工艺硬度 均调整至 50 ~ 51 HRC,HTCS鄄鄄 130 钢热处理工艺 为 1080 益 奥氏体化 30 min 后油冷,再经 560、580 和 600 益 回火 2 h,DAC55 钢则采用 1030 益 奥氏体 化 30 min 后油冷,再经 560 益 回火 2 h,回火次数为 两次. 图 1 为 HTCS鄄鄄130 钢和 DAC55 钢淬回火组 织形貌图. 表 1 HTCS鄄鄄130 钢和 DAC55 钢的化学成分(质量分数) Table 1 Chemical composition of HTCS鄄鄄130 steel and DAC55 steel % 钢号 C Si Mn Cr Mo Ni V W Co Fe HTCS鄄鄄130 0郾 31 0郾 04 0郾 05 — 3郾 70 — — 1郾 88 — 余量 DAC55 0郾 35 0郾 21 0郾 53 5郾 06 2郾 41 0郾 61 0郾 77 — 0郾 65 余量 图 1 试验钢回火组织图. (a)HTCS鄄鄄130 钢;(b)DAC55 钢 Fig. 1 Micrographs of tested steel after tempering: (a) HTCS鄄鄄130 steel; (b) DAC55 steel 1郾 2 试验方法 摩擦磨损试验在 BRUNKER UMT鄄鄄3 型球鄄鄄盘线 性往复式高温摩擦磨损试验机上进行,摩擦方式为 干摩擦,试验环境为大气环境,环境温度分别为 100、300、500 和 700 益 ,载荷为 20 N,对磨时间为 60 min,滑移行程为 10 mm,频率为 5 Hz,总滑移路程为 ·907·