冷拔模具用硬质合金材料的摩擦磨损性能

曾阳根，王振生，刘 军，张大功

（1.国网湖南省电力有限公司娄底供电分公司，湖南 娄底 417000；2.湖南国生新材料科技有限公司，湖南 湘潭 411201；3.国网湖南省电力有限公司岳阳供电分公司，湖南 岳阳 414000；4.湘潭电机股份有限公司，湖南 湘潭 411101）

随着钢管工业的飞速发展，我国在产量、品种、质量、生产技术及设备制造等方面都已达到了世界先进水平[1]。其中，冷拔工艺制备的精密无缝钢管的品种、规格和数量不断增多[2]。冷拔模具主要用于无缝钢管的管壁减薄和定径，是拉拔加工工艺中常用的易耗性模具。在冷拔加工工艺中，模具费用约占加工费用的1/2，又由于模具的使用性能直接影响着无缝钢管的质量。因此，模具对于提高无缝钢管的产品质量以及降低生产成本具有重要作用[3-10]。

鉴于大直径无缝钢管冷拔模具的主要失效形式是磨损，目前模具材料主要有镀铬Cr12MoV 合金、渗氮Cr12MoV 合金与硬质合金。本文对比YG20CG11008 硬质合金和镀铬Cr12MoV 合金以及渗氮Cr12MoV 合金，研究硬质合金的摩擦磨损性能，以及作为冷拔模具材料的可适性。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料

选用的Cr12MoV 合金热处理工艺为1 020 ℃淬火+550 ℃三次回火，线切割切取20 mm×20 mm×10 mm 的磨损样品，表面精磨至粗糙度（Ra）0.6μm，分别采用电镀工艺镀铬以及等离子渗氮炉420 ℃等离子渗氮表面改性。镀铬工艺为：除油溶液 组 成NaOH 60 ～80 g/L，Na2CO335 ～40 g/L，Na3PO440～60 g/L；电流密度3～8 A/dm2，槽温50～70 ℃，阴极出油3 min，阳极去油0.5 min，纯水清洗；体积百分数为20%的H2SO4室温酸洗3 min，纯水清洗；CrO3250 g/L，H2SO42.5 g/L，电流密度7.5～46 A/dm2，40～60 ℃，电镀10 h。等离子渗氮工艺为：丙酮清洗后放置于LDM2-25 型脉冲直流等离子渗氮炉中，通过NH3进行渗氮处理，渗氮温度为420 ℃，渗氮时间为32 h，气压1 200 Pa。YG20C-G11008 合金制备工艺为：配方80%WC+20%Co 以及WC 和Co 的总质量的2%石蜡，滚动球磨24 h 混合均匀，喷雾干燥制粒，160 kN 自动机械压力机压制成坯料，氢气脱蜡，1 400 ℃真空烧结90 min，线切割切取20 mm×10 mm×4 mm 的磨损样品，表面精磨至粗糙度（Ra）0.6 μm。镀铬Cr12MoV合金、渗氮Cr12MoV 合金与YG20C-G11008 合金表面抛光后，经丙酮+酒精超声波清洗，烘干。

1.2 试验方法

采用MRH-5A 型环-块磨损试验机进行摩擦磨损试验，摩擦副接触方式为环-块滑动线接触方式。对磨件上试环为调制钢环（38 HRC，尺寸为Φ49.22 mm×13.06 mm），镀铬Cr12MoV 合金、渗氮Cr12MoV 合金与YG20C-G11008 合金为下试块。试验条件：室温，大气干摩擦，载荷为5 000 N，滑动速度为0.1 m/s，试验时间为30 min。根据摩擦力值公式计算摩擦因数。磨损体积量用NanoMap-500LS 三维接触式表面轮廓仪测得。磨损率计算公式为W=V/（F·L）（W 为磨损率，V 为磨损体积损失，F 为载荷，L 为滑行距离）。摩擦因数和磨损率取3 次试验结果的平均值。

采用S-3400N 型扫描电镜分析变形区表面形貌。采用HV-50 维氏硬度计测试合金的维氏硬度，5 N 的载荷，持压时间为15 s。

2 三种材料的组织和力学性能

YG20C-G11008 合金是利用19.41%的Co 作为黏结金属，将WC 颗粒黏结成块体的硬质合金，磁化强度4 kA/m，密度13.48 g/cm3，相对磁饱和强度29.5（Gs·cm3）/g，WC 平均晶粒尺寸为1 μm，无η 相（图1），表面硬度为1 253～1 272 HV；细化的硬质合金WC、Co 原料粉末具有很高的活性，微观上有助于改善组织均匀性，抑制烧结过程中WC颗粒长大，形成良好的过渡性界面，减少空隙度，提高致密性，可以大幅提高硬质合金的硬度和强度等宏观性能[11]；另外，WC 晶粒接近纳米级（1 μm）时，WC-Co 硬质合金的磨损质量大幅度下降，耐磨性能显著提高[12]。因此，选用YG20C-G11008 合金作为研究对象。Cr12MoV 镀铬层厚度约为0.75 mm（图2），表面硬度为950～1 000 HV。Cr12MoV合金中的共晶碳化物呈弥散分布（图3a），在碳化物堆积区域碳化物颗粒尺寸较大，部分碳化物呈长杆状，并且边角圆滑；渗氮组织有3 个区域：表面的白亮层即氮化物层表面硬度为1 050～1 100 HV；次表面颜色较深的是扩散层，最后是较明亮的基体组织。

图1 YG20C-G11008 合金的组织形貌

图2 Cr12MoV 镀铬层的形貌

图3 渗氮Cr12MoV 的组织形貌

3 三种材料的磨损性能及机理

3.1 三种材料的磨损性能

镀铬Cr12MoV 合金的摩擦因数为0.25，磨损率为8.3×10-14m3/（N·m）。渗氮Cr12MoV 合金的摩擦因数和磨损率分别为0.16 和3.6×10-14m3/（N·m），磨损率较镀铬Cr12MoV 合金降低2.3 倍。YG20CG11008 合金的摩擦因数和磨损率分别为0.35 和0.18×10-14m3/（N·m），磨损率较镀铬Cr12MoV 合金和渗氮Cr12MoV 合金分别提高了19 倍和45 倍。

3.2 三种材料的磨损机理

三种材料的磨损表面形貌如图4 所示。可以发现，低倍下镀铬Cr12MoV 表面呈现出显著的剥落特征和比较明显的犁削特征（图4a），高倍下镀铬Cr12MoV 表面还呈现出显著的塑性变形特征（图4b）。低倍下渗氮Cr12MoV 表面呈现出比较明显的犁削特征（图4c），没有发生渗氮层剥落的特征；高倍下渗氮Cr12MoV 表面呈现出显著的犁沟特征（图4d）。由于渗氮时通过调节气体组分可以控制氮化组织、降低渗氮层的脆性，不易产生剥落和热疲劳，故Cr12MoV 合金经过渗氮处理后，表面的耐磨性、抗疲劳性能、抗热、抗蚀性能、硬度和抗咬合性能优越。

图4 三种材料的磨损表面形貌

低倍下YG20C-G11008 合金表面呈现剥落、黏着和犁沟特征（图4c），高倍下合金表面呈现出黏着、WC 颗粒、微坑以及WC/WC 间微裂纹特征，硬质合金的WC 颗粒、微坑以及WC/WC 间微裂纹特征出现在磨损表面的黏着剥落处。这是由于材料接触表面的高接触应力作用导致硬质合金表层的Co 从WC 晶粒间被挤出，Co 与Fe 是固溶度大的同族元素，易发生黏着磨损，黏着磨损导致合金摩擦因数增大[7]；伴随着黏结相Co 的流失，硬质合金的表面完整性受到破坏，WC 颗粒成为磨损表面微凸体，缺少Co 相的屏障保护导致在高接触应力作用下WC 晶粒间产生裂纹，随着裂纹的扩展，使得部分WC 颗粒开始从基体表面剥落形成微坑，WC 颗粒的剥落进一步加剧磨损表面剥落特征[13]；由于摩擦磨损工况是自然的压应力状态，压应力可以抑制裂纹的萌生和扩展[14-15]，WC 晶粒间裂纹遇到Co 相不会再扩展，故YG20C-G11008 合金没有发生断裂；脱落的WC 颗粒以磨粒的形式出现，在外界辗压的作用下，在摩擦副的表面形成犁沟状的磨损痕迹，故磨损表面出现犁沟特征。

4 生产使用情况

根据三种材料的磨损试验结果，YG20CG11008 合金耐磨损性能最优。因此，采用YG20CG11008 合金制备了外模（图5）。考虑到YG20CG11008 合金的价格贵、韧性差，采用镶套的方法制备了外模。实际使用过程中发现，外模表面主要呈现拉伤磨损特征，高倍下，磨损表面主要呈现剥落、黏着和犁沟特征，与磨损试验结果吻合。YG20C-G11008 合金外模表面形貌如图6 所示。YG20C-G11008 合金外模的使用寿命较镀铬Cr12MoV 合金外模提高了近10 倍，解决了某公司的模具失效问题。这说明硬质合金相对于镀铬Cr12MoV 合金和渗氮Cr12MoV 合金，可以更有效地提高冷作模具的使用寿命，从而获得更好的产品，不足之处是模具成本高。

图5 YG20C-G11008 合金外模

图6 YG20C-G11008 合金外模表面形貌

5 结 论

（1） YG20C-G11008 合金WC 平均晶粒尺寸为1 μm，无η 相，表面硬度为1 253～1 272 HV。摩擦因数和磨损率分别为0.35 和0.18×10-14m3/（N·m），其磨损率较镀铬Cr12MoV 合金和渗氮Cr12MoV 合金分别提高19 倍和45 倍。

（2） YG20C-G11008 合金的磨损机理受控于黏着磨损。高接触应力导致接触表面的硬质合金中的Co 从WC 晶粒间被挤出，发生黏着磨损，Co 的流失导致WC 颗粒缺少屏障保护，在磨损表面形成微凸体，在高接触应力作用下产生裂纹，裂纹扩展导致部分WC 颗粒剥落形成微坑。摩擦磨损工况自然的压应力状态抑制了裂纹的萌生和扩展，合金没有发生断裂。

（3） YG20C-G11008 合金模具的使用寿命较镀铬Cr12MoV 合金外模提高了近10 倍，不足之处是模具成本高。