高碳高铬系自润滑冷作模具钢抗磨损性能研究

　　随着模具工业的迅速发展，我国在冷作模具钢材料的研制开发等各个方面都有了迅猛的发展，虽然新型Cr8系列冷作模具钢兼有中合金冷作模具钢韧性高、高合金冷作模具钢强度高和耐磨性好的优点，基本上解决了市场上常用冷作模具钢早期脆断、韧性不足或者变形失效的问题，但是冷作模具材料磨损或咬合失效的问题仍然难以解决。为延长模具寿命，在保证强韧性的前提下解决磨损问题，本文基于高碳高铬系自润滑冷作模具钢为研究材料，结合了多种摩擦磨损试验方式下的抗磨损性能并对其抗磨损机理进行对比分析。结果表明，高碳高铬系自润滑冷作模具钢的摩擦系数远低于其他传统钢种，表现出了优异的抗磨损性能，具有巨大的工程应用价值，但其抗磨减摩及自润滑机理和自润滑相的调控技术尚无系统理论研究。

　　目前对于这种自润滑冷作模具钢是一个全新的概念，其研究和生产尚处于未公开阶段，对于其自润滑机理和控制的研究尚不明确，故本文通过研究冷作模具钢及其相类似合金体系钢种的文献，旨在综述S、Cu、Al等合金元素在新型冷作模具钢中所起的作用，通过表征不同形式的摩擦磨损性能与微观组织的内在联系，从而揭示自润滑相在钢中的减磨机理，并且简要叙述自润滑钢中自润滑相控制的方法，探讨热处理工艺对自润滑相的类型、形态、大小及分布行为的影响规律和机制。

主要合金元素在自润滑钢中的作用

　　本文所采用的是高碳高铬系自润滑冷作模具钢，为保证足够的淬透性同时减轻一次碳化物偏析，Cr最低控制在8%左右;通过添加一定量的W和Mo来实现二次硬化，另添加Ni、Al形成Al3Ni金属间化合物，通过其沉淀补偿二次硬化;添加的Cu可作为形核核心，使Al3Ni的析出温度降低到二次硬化温度附近，最重要的是添加S形成的硫化物作为自润滑相，改善了可加工性，提高抗磨损性能。鉴于此，本文所综述的材料主要是添加S、Cu 等合金元素的Fe–1.0%C–8.3%Cr–Ni–Mo–W–Al–Cu–S高碳高铬系自润滑冷作模具钢。

自润滑钢的抗磨损机理分析

　　本文选取了三种不同方式的试验方式，第一种采用使用试验的方式，即直接在实际的工况下，直观评价自润滑冷作模具钢的抗磨损性能优劣，第二、三试验中采用试样试验的方式，研究分析抗磨损的机理。

　　第一种试验使用80吨曲柄压力机进行如下图所示的帽形弯曲试验，其模具为国外某厂研发的S-MAGIC自润滑冷作模具钢。其试验的测试结果，3次冲程后在S-MAGIC钢中不发生擦伤，而其他模具材料都已发生较为明显的擦伤。而S-MAGIC钢冲压件的表面粗糙度小，其摩擦力也较小，避免了磨损颗粒在工件表面上冷焊形成新生的金属表面层，从而表明了该钢具备良好的减磨作用。

　　第二种试验采用球盘磨损方式，如下图所示，圆盘试样由上述帽形弯曲试验中使用的模具制成的。其结果表明S-MAGIC钢的摩擦系数明显低于其他传统钢的摩擦系数。通过上述两种摩擦磨损试验可以明显看出，S-MAGIC钢的表面擦伤情况及摩擦系数远小于其它传统钢种，从而得出结论，通过添加S、Cu等合金元素可在钢中原位产生自润滑相，从而大大改善了钢的抗磨损性能。

　　由下图可以看出，对于初始摩擦系数，S-MAGIC钢和-Al钢(Al去除钢)最低，-WMo钢和-Cu钢最高，-WMo钢的较高值主要是因为没有W和Mo元素形成二次硬化导致较低的硬度，-Cu钢的高摩擦系数主要是由于加S带来的腐蚀磨损引起的，相比较而言，S和Cu添加使钢的摩擦系数显著降低。

　　故综合上述实验结果，可知S可使钢获得优异的可加工性，这种机制主要是S在钢中与W、Mo结合原位自生形成细小弥散分布的MxSy金属硫化物自润滑相，其晶体结构为六方晶系结构，易沿密排面滑移，进行塑形变形，从而具有良好的润滑性能，故显著降低摩擦副间的摩擦因子，提高抗磨损性能。另外，在金属切削或者一定载荷接触过程中，在摩擦产生高温的接触区S与Fe形成FeS润滑模层，使摩擦副之间的材料的粘附减少，进一步降低粘着磨损。

　　第三种试验采用销盘磨损方式，销采用三种试验材料，一种为标准D2钢，其余两种分别为+Cu 8%Cr钢、+CuAl 8%Cr钢。由结果可知+Cu钢和+CuAl钢的初始摩擦系数略低于标准D2钢。并且对于严重磨损临界滑动距离， CuAl钢最小，+Cu钢次之，D2钢最大，硬度最高的+CuAl钢有最长的临界滑动距离，因此+CuAl钢具有最佳的抗磨损性。

　　综合分析上述试验，得出的结果几乎一致，钢中添加S和Cu等合金元素能使钢的摩擦系数显著降低，大幅度通过其自润滑作用大幅度提高钢的抗磨损性能，从而提高模具服役寿命。

　　结语与展望

　　自润滑冷作模具钢作为一种新型的高端冷作模具钢，表面出较好的强韧性配比，极佳的抗磨损性能，有望解决传统冷作模具磨损失效的问题，并且热处理变形极小，模具热处理后尺寸精度高，对于制造精密复杂高端冷冲模具极其使用，该钢对汽车用零部件高端模具最终的国产化起到至关重要的作用。

　　(1)高碳高铬自润滑冷作模具钢比传统冷作模具钢具有更低的摩擦系数，更高的抗磨损性能。

　　(2)通过控制化学成分变量试验可知，该钢优异的抗磨损性能主要归因于S和Cu的添加，形成硫化物自润滑相。

　　(3)该钢的抗磨损性能可以通过二次硬化析出大量的二次碳化物，较小的碳化物尺寸及较大的弥散分布程度来改善。

　　但由于自润滑冷作模具钢的润滑机理研究仍然是一片空白，特别是S、Cu、Ni、Al等元素在钢中所组成的相类型及含量与组织性能之间定量关系分析是以后的研究的重难点。