激光加工的仿生凹坑对M2高速钢高温摩擦磨损的影响

张海峰， 贺春山

（长春大学 机械与车辆工程学院，吉林 长春 130022）

0 引 言

高速钢具有较高的硬度、红硬性，热塑性好，在工业领域作为刀具材料和模具材料得到了广泛的应用［1－2］。M2（W6Mo5Cr4V2）高速钢还具有较好强度和韧性，是制作冲压模具的常用钢种［3］。由于冲压模具恶劣的工况环境（高温、高压、高冲击性），使得模具的使用时长较短。欲延长模具的使用寿命，在生产中增加经济效益，就需要对模具的主要受损部位加强高温下的耐磨性能。吉林大学近年来模拟生物的表面形貌，在材料表面加工出仿生耦元来提高材料的各种性能。周宏教授的课题组应用仿生原理，在工、模具材料的表面上采用激光技术加工出不同种类的仿生耦元，提高了材料 的 耐 磨 性［4－6］、热 疲 劳 性［7－10］及 材 料 的 强度［11－12］，在工业生产中得到了广泛的应用和较高的评价。文中应用仿生原理，在M2高速钢的表面上应用激光技术加工出凹坑状仿生耦元，探讨凹坑状仿生耦元的形貌及排列对高温摩擦磨损性能的影响。

1 实验材料与研究方法

实验选用的高速钢牌号为W6Mo5Cr4V2（美国牌号为M2）。其化学成分见表1。

表1 M2高速钢的化学成分 %

显微组织照片如图1所示（常温下其硬度为65HRC）。

图1 M2高速钢显微组织照片

用线切割把M2高速钢切成尺寸为Φ6mm×12mm的圆柱形试件，应用砂纸打磨并抛光后，用无水乙醇及丙酮超声波清洗。应用型号为JHM－1GXY－600B的数控激光器在圆柱体的端面加工生成凹坑型仿生耦元。

激光加工参数见表2。

表2 激光加工参数

实验以凹坑的直径及凹坑的间距为研究对象设计了两组试样，试样的参数见表3。

表3 凹坑在试件表面的直径及排布

应用型号为MG2000销－盘式高温摩擦磨损试验机，测试试样的耐磨性。实验的温度为26、200、380、500℃，载 荷 为35N，主 轴 转 速 为600r／min。对磨副试件形状为Φ60mm×10mm的盘状，材料为GCr15，硬度为64HRC。应用FA2004电子天平（精度为0.1mg）进行测量并记录磨损前后的质量差值，标定试件的耐磨性。每组试样在同一温度下磨损3次，每次磨损时间为3min，实验结果取3次磨损的平均值。试件每次磨损后用砂纸打磨光滑平整，然后用无水酒精超声波清洗。实验中摩擦力矩M由计算机通过传感器记录，应用如下公式计算摩擦系数：

式中：μ——摩擦系数；

M——摩擦力矩；

Q——正压力，实验中Q＝35N；

R——对磨副盘半径，本实验中R＝30mm。

2 结果与讨论

2.1 凹坑的直径对高温磨损性能的影响

M2高速钢在不同温度下的磨损失重曲线如图2所示。

图2 M2高速钢在不同温度下的失重量曲线

由图2可见，在200℃以内磨损的失重量随着温度的升高缓慢增加。在超过200℃之后，磨损的失重量随着温度的升高增加得较快。这显示出M2高速钢磨损在高温时的损失重量与温度之间呈现了非线性关系。

不同直径的凹坑间距相同时，在380℃时的磨损失重量如图3所示。

图3 不同直径的凹坑在380℃时的磨损失重量

由图中可见，随着凹坑直径的增加，磨损的失重量降低，这说明凹坑直径增加后，磨损量是逐渐减小的。

2.2 凹坑对摩擦系数的影响

摩擦系数是磨损中重要的参数，因此实验中对高温磨损中摩擦系数做了以下测定。

含有凹坑（直径：430μm；间距：450μm）的M2高速钢在温度为：26、200、380、500℃的摩擦系数曲线如图4所示。

图4 含有凹坑的M2高速钢在不同温度下的摩擦系数

由图中可知，随着温度的升高，摩擦系数缓慢下降。

随着凹坑直径的不断增大，在间距不变，温度一定的高温环境（380℃）中的摩擦系数的变化曲线如图5所示。

图5 含有不同直径凹坑的M2高速钢在高温下的摩擦系数

图中显示，随着直径的增大，摩擦系数减小。

在凹坑直径不变的情况下，凹坑的间距逐渐加大，温度一定的高温环境中的摩擦系数变化曲线如图6所示。

图6 含有不同间距凹坑的M2高速钢在高温下的摩擦系数

由图6可见，当凹坑直径增大时，摩擦系数减小。

2.3 磨损机理的分析

在温度小于200℃时，磨损量的变化较小，这表明在未达到相变温度时，表面的硬度及金相组织未发生变化，这时的磨损类型主要为微观的犁削和切削。在磨损过程中会产生一些磨粒，随着磨损的进行，磨粒会逐渐被磨损成圆柱状或球状，形成“滚动轴承”作用，从而使滑动磨损转换为滚动磨损，增加了润滑，提高了耐磨性。

随着温度的升高，高速钢表面的金相组织发生了变化，使产生的磨粒软化，被砸碎形成更小更细的磨粒。由于这些磨粒的总表面能较高，在高温的作用下使得细微磨粒之间产生粘附作用，形成团聚体并粘附到试件表面产生粘附现象［13－14］，随着温度的升高，这种现象会逐渐加强，达到一定程度后就改变了表面的物象结构［15］，使得材料表面软化，随着团聚体的增大，磨损量逐渐加大。高温磨损过程中，由于摩擦表面会产生氧化还原反应，从而形成了一层致密的氧化膜，这层氧化膜对基体起到了保护作用，而且也起到了润滑的作用，这是高温时摩擦系数降低的主要因素［15－16］。

激光在高速钢表面加工形成凹坑时，由于加热和冷却的速度非常快，凹坑边缘形成超细晶粒组织，耐磨性和韧性得到了较大的提高。凹坑增大的同时，凹坑边缘的超细晶粒组织区域也相应增大了，也就是在单位面积内，磨损的接触区域减小，耐磨面积增大，表现为摩擦系数减小，即耐磨性也相应提高了。凹坑还可以起到收纳磨粒的作用，吸收磨损间隙中细小磨粒的总表面能，调节磨粒间的应力状态，减少了参与犁削和切削的磨粒的数量，而且降低了团聚体的大小，从而使磨损量降低［14－15］。

凹坑的间距直接影响单位面积内的凹坑数量，凹坑的数量增多将影响表面粗糙度的大小，表面粗糙度增加将使摩擦系数增加，使磨损量一定程度的增加。所以，在本实验范围内凹坑间距越大，单位面积上粗糙度将逐渐降低，同时摩擦系数也将下降。

3 结 语

1）M2高速钢磨损过程中，随着温度的升高，在200℃之后磨损失重量增加较快。这显示出M2高速钢磨损失重量与温度之间为非线性关系。

2）在温度及间距不变的情况下，随着凹坑直径的增大，磨损失重量下降。

3）在凹坑直径及间距不变的情况下，温度升高，摩擦系数下降。在温度为380℃时，间距不变，在本实验范围内，凹坑直径不断增大，摩擦系数下降。凹坑直径不变，间距增大时，摩擦系数下降。

4）对磨损机理的分析表明，凹坑能够容纳磨粒，降低表面能。凹坑的间距、直径增大能够提高M2高速钢的高温耐磨性。

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