4Cr3Mo2NiV铸造热锻模具钢的高温磨损机理

第 卷 年 月 第 期 一 页 今 扁 学 玻 一 铸造热锻模具钢的高温磨损机理 ‘ 崔向红 , , 王树奇 , , 姜启川 ‘ , 洪 吉林大学材料科学与工程学院 , 长春 江苏大学材料科学与工程学院 , 镇江 扁 “ 摘 要 研究了铸造热锻模具钢 从室温到 ℃的磨损行为 , 采用 , 和 等对试样磨损表 面和磨屑的形貌 、 成分和结构进行了 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 , 探讨了铸造热锻模具钢的高温磨损机理 结果表明 铸造热锻模具钢的高温磨损机理是 氧化磨损和疲劳剥层磨损 磨损过程中氧化和疲劳剥层交替进行 , 使摩擦系数大幅度波动 高温磨损形成的氧化物主要是 和 , 氧化磨损使磨损率降低 疲劳剥层使磨损率增加 , 磨屑呈脆性块状 关键词 铸钢 , 热锻模 , 高温磨损 , 氧化 , 磨损机理 中图法分类号 文献标识码 文章编号 一 一 一 一 一 石 。、 叩‘ , 似万‘ 弘。。产 , 刀月万‘ ‘人。 ‘ , 万。万‘ 刀艺 , 叭 , 哭 二 。艺 乞 二 。 , 阳 , 不, 不。。。, 一 。 落 乞仰 侧 二 二 。 趾夕 代 卿 吻一 夕 四 , 几 ‘ 坛 币大 。 。勿。 忿加 坛艺 ￡。 , , , ￡ 从夕 。‘ 二 叩 叼、。。 饭 了 双盛 , , , 一 一 , 一 卜 一 沮 , , , , , , , 一 , , 模具的精铸作为一种新的模具制造方法 , 适用于批量 较大的热锻模生产 与广泛采用的传统热锻模具制造方 法 , 即锻材机械加工模具相比 , 铸造热锻模具具有材料利 用率高 、 机械加工量少 、 制造周期短及成本低等优势 , 具 有明显的经济性和先进性 , 并逐步成为一种重要的模具制 造方法 目前铸造热锻模具在世界主要发达国家中得到广 泛的应用 , , 国内对铸造热锻模具在材料及应用方面有 国家计委产业化前期关键技术与成套设备研制开发项目 和国家高技术发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 项目 资助 收到初稿日期 一 小 , 收到修改稿 日期 一补 作者简介 崔向红 , 女 , 年生 , 副教授 , 博士生 所研究 , 但至今未能得到广泛的应用 , 其主要原因是铸造模 具早期脆性断裂导致的寿命不稳定 在前期工作中 , 姜 启川研究组 ’ 研制的新型铸造模具钢热锻模具基本消除 了早期脆断 , 但其寿命距国外先进水平尚待提高 而且发现 高寿命模具的失效形式为高温磨损 因此 , 改善铸造模具钢 的高温抗磨性是提高铸钢热锻模具寿命的关键之一 高温 磨损一直是摩擦磨损研究领域中一个重要的研究方向 , 高 温下的磨损往往伴随氧化磨损 , 氧化磨损已有相当多的研 究 降一 但对热锻模具钢 , 特别是铸造模具钢的高温磨 损的研究尚少见报道 ‘“一 , 对其高温磨损机理以及氧化 磨损作用尚需做进一步的研究工作 本文研究了新型铸造 模具钢从室温到 ℃高温下的磨损行为 , 并探讨了磨 损机理 期 崔向红等 铸造热锻模具钢的高温磨损机理 。一七石节艺一。眨。 ︸匕 一·‘,。尸巴巴﹄。。弓 飞 , ℃ 污石乞艺。一。旺。。 叮琴飞票尸。芭﹄。。 实验材料与方法 新型铸造热锻模具钢的化学成分 质量分数 , 为 一 , 一 , 一 , 一 , 一 采用 中频感应炉不氧化法熔炼工艺 , 当钢液温度达到 ℃时 , 插铝出钢 , 在浇包中加入含 卜 , 及 一 等的复合变质剂 , 对钢液进行孕育 变质处理 , 最后浇注成楔型试样 试样经 ℃保温 油冷 , 然后进行 ℃回火 , 获得回火马 一 贝复相组 织 , 硬度为 采用 一 型销盘式高温摩擦磨损试验机进行 磨损实验 实验规范为 干摩擦条件 , 实验温度分别为室 温 , , 和 ℃ , 载荷为 , 旋转速度为 , 和 , 总的滑行距离为 销 直 径 , 长 材料为新型铸钢 , 对磨盘 直径 , 长 为 实验前 , 将 销 、 盘摩擦表面磨光 , 并用丙酮清洗 , 除去表面油污 试 样在磨损前 、 后均需用丙酮清洗干燥后 , 用分析天平 精 度为 称量试样的重量 , 同一实验重复三次 , 取 平均值 磨损率 礁 · 司 其中 为磨损体积损 失 磨损失重 密度 , 为滑行距离 , 为载荷 采用 一 型扫描电子显微镜对磨损表面 和磨屑形貌进行观察与分析 , 并用外挂 一 电子 探针分析仪分析磨面和磨屑的微区成分 在 射线衍射 仪 一 上采用 凡 〕 分析磨面 物相 实验结果与讨论 铸造热锻模具钢的磨损行为 图 示出了铸造模具钢在不同温度和不同旋转速度 下的高温磨损率 可以看出铸造模具钢磨损率随着温度 和旋转速度的变化而发生明显的变化 磨损温度从室温到 ℃ , 磨损率增大 , 达到最高值 温度继续升高 , 磨损率 逐渐变小 摩擦系数随着温度提高 , 略有升高 随着转速 的增加 , 磨损率单调下降 而摩擦系数变化不大 可见 , 摩擦系数与磨损率无对应关系 而且在室温和 ℃下 摩擦系数随磨损次数的变化规律明显不同 , 见图 在室 温下摩擦系数较低 , 保持近乎恒定的值 而 ℃下高温 磨损的摩擦系数较高 , 呈反复波动状 这说明铸造模具钢 的高温磨损与室温磨损具有不同的磨损机理 磨损表面及磨屑的形貌 、 成分和结构分析 从图 所示两种温度下磨损表面形态可以看出 , 在室 温下磨损表面形貌呈现塑性变形的撕裂状 图 , , 磨 损机制为典型的粘着磨损 而在 ℃下高温磨损表面 存在脆性剥落区和表面裂纹 图 , 剥落区内有大量的 颗粒存在 图 通过表 所示的磨损表面能谱成分分析可以看到 , 随着温度的提高 , 磨损表面的氧含量明显增大 , ℃下 表面的氧含量最多 , 达 , ℃下表面的氧含量 , 图 温度和旋转速度对磨损率和摩擦系数的影响 ℃ 鲡鲡缅缅 ‘ 一 。一右仁卜节艺胆桩 图 在室温和 ℃下摩擦系数随转数的变化 ” , ℃ 达 , ℃和室温下氧含量较少 , 分别为 和 这说明随着温度逐渐升高 , 磨损表面被氧化的 程度逐渐加深 , 为氧化磨损 而且随着滑动速度的增加 , 磨损表面的含氧量也略有提高 图 为不同温度下磨损表 面 物相分析结果 , 磨损表面的氧化产物为 和 如 且随着温度提高 , 氧化物的数量增加 , 这与表 面能谱成分分析结果是一致的 图 为铸造模具钢 ℃ 下磨屑的形貌和成分 可以看出 , 磨屑中含有大量的氧 , 磨屑为厚大的块状 , 最大的块状直径达 拼 可见 , 磨 金 属 学 报 卷 表 铸造模具钢磨损表面的 结果 , 飞 , ℃ , , , 产产产,, 「 ’’ ,,, 凡 。。 目目 ℃℃ 习习习习 ℃℃ 着亡三三 叹 叩 图 铸造模具钢磨损表面的 分析结果 ‘着吕二三 图 铸造热锻模具钢在室温和 ℃下磨损表面形貌 , , , 罗 , , , , ℃ , 屑多数为疲劳剥落脆性氧化物 讨论 热锻模具与炽热金属直接接触摩擦 , 模具表面温度一 般可达到 一 ℃ , 锻压设备的加载速度在 一 由于摩擦热使摩擦表面的温度往往高于环境温 度 , 因此 , 上述铸造热锻模具钢在 ℃的磨损行为与实 际工况比较接近 在大气中因高温和摩擦生热导致钢的磨损表面氧 化 磨根过程的氧化速度往往高于静态氧化 但其形 访 遥 咱 , 图 铸造模具钢 ℃下磨屑的形貌和成分分析 昭 邓 期 崔向红等 铸造热锻模具钢的高温磨损机理 成仍需有一定的过程 , 如图 所示 在 ℃磨损情况 下 , 前 磨损率往往较高 后降低到近乎 一个稳定的值 这种情形正好与磨损表面氧含量 , 即氧化 物的数量有对应关系 磨损 前氧化物层还没有完 全形成 , 未起到减磨作用 , 因此磨损率处于较高的水平 后磨损表面氧化层逐渐达到一定厚度 , 对磨损表 面有保护作用降低磨损 同时 , 表面氧化层比较脆 , 极易 发生疲劳剥落 在磨损过程中磨损表面不断重复发生氧化 和氧化物层的疲劳剥落 随着磨损时间的延长 , 磨损率几 乎达到一个稳定值 这个过程可由摩擦系数的变化来得到 间接的验证 见图 , 即 ℃下高温磨损的摩擦系数较 高 、 且波动变大 可以推测高的摩擦系数对应于氧化物的 疲劳剥落 而低的摩擦系数对应于氧化物的形成 岁口盏拭。节一乞上乏 ‘声一 ,一 、、 尸·俨‘月钾,月巴﹄。弓 图 磨损率和磨面含氧量随磨损时间变化 , 七 ℃ , 一般 有三种类型的氧化物 , 和 , 相应的含氧量 质量分数 分别为 咒 · 、 与 的形成在 ℃以上 , 的形成温度在 一 ℃之间 , 在 ℃以下 形成 而且 和 氧化物都具有有效的减磨作 用 , 其中 的作用大于 回 等曾提 出一个闪点温度公式 ‘ 显的减磨作用 , 故使磨损率降低 由上面实验结果分析可以得出 , 在较低的环境温度下 从室温到 ℃ , 不易发生氧化 , 所形成的氧化物少而 薄 , 不足以保护磨损表面 , 磨损机制为粘着磨损 随着温度 的升高发生明显氧化 , 在磨损表面形成一层氧化膜防止由 于金属接触导致的粘着磨损 , 对磨损表面起到保护作用 , 使 ℃以上的磨损率降低 另一方面 , 氧化膜往往脆性 较大 , 在外力作用下氧化膜极易发生裂纹萌生和疲劳扩展 产生疲劳剥落 , 导致摩擦系数的提高 高的旋转速度使摩 擦表面温度升高 , 增加磨损表面氧化物数量 , 使磨损率明 显降低 高温下在磨损刚开始时 , 短时间内没有形成足够的氧 化物一段时间以后 , 氧化在表面充分进行达到稳定状态 , 形成足够的氧化物对磨损产生影响 氧化物对磨损表面有 保护作用 , 防止了粘着磨损 , 在一定程度上磨损率降低 , 特别是在轻微磨损情况下 而严重磨损情况下 , 氧化层开 始从磨损表面发生疲劳剥落 , 这时发生轻微磨损向严重磨 损的转化 氧化层疲劳剥落后剥落区金属将继续氧化 , 这 是一个氧化和剥落交替进行的动态平衡过程 此外 , 剥落 下来的氧化物一部分离开摩擦系统 , 造成磨损 另一部分 氧化物在摩擦表面被磨碎成颗粒状 , 被碾压在剥落区内 , 这部分氧化物对磨损表面有保护作用 , 一定程度上降低磨 损率 结论 铸造热锻模具钢的高温磨损机理为氧化磨损和疲 劳剥层磨损 室温下的磨损机理为典型的粘着磨损 随着环境温度的增加 , 磨损率首先提高 , 并且在 ℃达到最大值 , 随后降低 而摩擦系数略有提高 旋 转速度的增加导致磨损率的明显降低 , 而摩擦系数则几乎 不变 高温磨损表面的氧化物为 和 , 疲 劳剥落磨屑为厚大的块状 铸造热锻模具钢在 ℃的高温磨损条件下 以后达到充分氧化 , 氧化和氧化物疲劳剥落交替 进行 , 使摩擦系数大幅度波动 氧化磨损降低磨损率 , 而 疲劳剥层使磨损率增加 , 在本实验条件下磨损率降低 式中 , 、 为摩擦面达到的最高温度 , 为摩擦 面平均温度 由此式可知 , 环境温度在 ℃时 , 铸钢 滑动摩擦表面的最高温度至少可以达到 ℃ 这时铸 钢磨面的氧化物应该是 , 但是 结果表明氧化物 是 和 的混合物 产生这种结果的主要原 因是高温下载荷使塑性变形增大 , 表面缺陷增多 , 有利于 氧原子和铁原子的扩散 , 钢的表面能快速充分氧化形成了 和 因此随着温度提高 , 钢表面出现 和 且数量增加 和 对磨损产生明 参考文献 」 , , , , ‘ · 几 叫 , 方健儒 , 姜启川 , 赵宇光 , 赵玉谦 , 王树奇 铸造 , 【 , , , 。。 勺 , 贺俊杰 , 兰 杰 , 翟春泉 , 丁文江 铸造 , , , , 丫 , , , , 加。 亡 , 兰 杰 , 贺俊杰 , 丁文江 , 王渠东 , 朱燕萍 , 翟春泉 , 徐小平 , 金 属 学 报 卷 卢 晨 钢铁 , 〕 , , , 昭 , , , , 万 亡 叭陀。云 , 崔向红 , 王树奇 , 姜启川 , 方健儒 , 赵宇光 , 赵玉谦 , 关庆丰 , 战松江 金属热处理 , 〕 , , 【 只 肠 , , , , , 五可 , 、 , , 几 阳 匕 , 下‘尹己 几 』 , , , , · 七。几 , 鳍 , 角 叩 , , 程先华 , 王从鹤 , 谢超英 摩擦学学报 , , , , 液 七 气 加 【 , , , , 加。 乱 , 之 , 李 志 , 曲敬信 , 周平安 , 赵振业 , 邵荷生 钢铁研究学报 , , 叼 阮初 了‘ 习, 揭晓华 , 毛志远 浙江大学学报 自然科学版 , 的 」 , 几