摘 要 基于熱鍛模失效總體研究現狀，結合熱鍛模工作過程中的實際磨損情況，分析了多因素作用下熱鍛模的摩擦磨損機理，將擴散磨損理論應用在熱鍛模中，針對性地提出改善鍛模磨損的有效措施，討論了熱鍛模PVD涂層將是延緩鍛模磨損的有效方法，并基于擴散磨損理論開發的擴散阻擋涂層延長了活塞頭鍛模的使用壽命。

關鍵詞 熱鍛模；擴散磨損；磨料磨損；離子滲氮；機械載荷

0 引 言

鍛模是生產模鍛件的關鍵工藝裝備[1-3]，目前以機器人、步進梁為代表的自動化技術是鍛造行業機器換人技術的發展趨勢，使用壽命長的鍛模成為實現鍛件生產機械化和自動化的必備條件。模具使用壽命是衡量模具質量的重要指標之一，無論是模具的大型化、復雜化，還是高精度、高效率，都依賴于模具使用壽命的延長，只有高質量的模具才能生產優質的模鍛件，模具與鍛件的性價比反映了企業技術和管理水平，而模具使用壽命則在性價比中起著關鍵作用[4]。

模具使用壽命不僅影響鍛件生產質量，還影響生產效率和成本，目前鍛造行業廣泛應用的熱作模具鋼為H13、DIEVAR等，盡管都具有高的淬透性和高的韌性以及優良的抗熱裂能力和抗高溫軟化能力，但仍然存在模具零件拉傷、開裂等問題，導致生產的鍛件表面產生劃痕，增加后續加工成本。延長模具使用壽命就是延緩模具零件的失效，延緩模具零件失效的前提是要認知模具零件的失效行為。針對延長熱鍛模使用壽命的方法，利用離子碳氮共滲與物理氣相沉積的復合處理技術將鋼質活塞頭使用壽命延長3倍，單次可鍛打1.9萬次以上，使用壽命達到國際先進水平。熱鍛模的磨損失效是一個熱（溫度）—力（摩擦力）—化學介質（潤滑劑）等多因素長時間共同作用造成的非線性動力學問題，結合模具失效形式，現有的磨損理論不能清晰地解釋模具零件的摩擦磨損行為，必須從模具失效行為進行分析，剖析其失效機理，揭示元素擴散行為對模具性能的影響，針對模具不同的使用工況制備特定元素及成分的涂層擴散，對延長模具使用壽命、提高鍛件市場競爭力具有重要意義。

1 熱鍛模失效概述

熱鍛模的模膛起成形鍛件的作用，與熾熱的坯料直接接觸，受脈沖式熱負荷、鍛壓設備施加的高能量沖擊載荷、金屬坯料流動的沖刷及環境介質的影響，最終導致模膛部分出現不可修復的損傷，即為鍛模失效。在模具零件加工質量正常及操作規范的情況下，這種失效稱為正常失效。當模具未達到設計的使用壽命時，稱之為模具的非正常失效，即早期失效。早期失效主要有模體脆性斷裂、模膛壓塌和局部嚴重磨損等[5]。即使是一批同樣的模具也不可能完全以同一種形式失效，經調查發現，某企業成形同一種鋼質活塞裙的模具，有的模具零件出現嚴重磨損，有的以模膛部分斷裂而失效，而且存在不同的裂源部位。據相關資料顯示，在上述失效形式中，磨損失效所占的比例最大，熱鍛模磨損失效為70 %左右；其次為裂紋失效，為20 %左右；由塑性變形和疲勞導致的失效為10%左右。

2 熱鍛模的磨損

磨損并非材料的屬性，而是由于物體或零件相互接觸并發生相對運動，依靠機械和化學的作用致使表面物質不斷去除的過程，一般認為這種行為是有害的，但事實并非如此，如新機器磨合、磨削加工都是磨損過程[6]。熱鍛行業中由于磨損在生產應用中具有廣泛且重要的實際意義，應重視對鍛模磨損的研究。

熱負荷和機械載荷被視為影響熱鍛模使用壽命的根本因素，模膛和鍛件表面接觸方式是影響熱鍛模磨損的主要因素。在熱力耦合作用下，模膛表面的磨損情況復雜，熱鍛模磨損至今尚無統一而準確的定義。根據研究認為按照不同的磨損機理分類比較合適，將磨損分為4個基本類型：磨粒磨損、粘著磨損、表面疲勞磨損和腐蝕磨損。雖然分類并不完善，但概括了各種常見的磨損形式[7]。對于與熾熱金屬直接接觸的熱鍛模，其磨損現象包含許多復雜的過程，不僅是一種磨損機理在起作用，而是從一種形式到另一種形式的轉化，或是多種磨損機理耦合下的結果。隨著工況條件的變化，不同形式磨損的主次不同，僅從表面現象的角度對磨損形式進行分類，對解決工程問題的意義不大。以下對熱鍛模的摩擦磨損行為進行分析總結，除了考慮熱坯料與模具零件的交互作用外，還從應力和原子擴散角度加以闡述，探明其機理，減少或避免同類失效現象的發生，達到延長模具使用壽命，提高經濟效益和社會效益的目的。

2.1 熱粘著磨損機理

熱鍛模模膛表面受坯料滑動摩擦較大的部位，由于摩擦切應力和熱負荷的作用，易使模膛表面產生熱粘著磨損。這種熱粘著磨損可認為是在一定溫度和壓力下，坯料與模膛局部表面發生粘合，在切應力的作用下粘合處被破壞，出現材料的遷移以及沿滑動方向出現不同程度的劃痕，嚴重時形成溝槽。按照金屬轉移程度不同，可分為：輕微粘著、涂抹、擦傷、膠合等[8]。

即使光滑的金屬表面在微觀下也凹凸不平，存在波峰與波谷，從微觀角度解釋熱粘著磨損機理，則是2個摩擦表面接觸時，由于表面不平，實際接觸面積只有表觀面積的0.01%~0.1%，即發生微凸體之間的接觸。在一定載荷作用下，微凸體的局部壓力可能超過材料的屈服壓力，較大的接觸應力造成表面相互嵌入，破壞了表面微觀結構，使純金屬接觸部分形成了分子相互吸引的條件。在相對滑動作用下，接觸點發生塑性變形或剪切，表層材料中的粘結相晶粒之間首先產生微裂紋，進而惡化基體晶粒之間的連接狀態，弱化了晶界強度，使材料抗斷裂、破損能力下降，其中可能產生了一部分分子的轉移。磨損的產生則是由于原子鍵連接并不一定都在原始微觀連接處斷開，而有可能在摩擦副中較弱的表面層附近斷開，使材料從摩擦副一方到另一方的轉移[9]。隨著2個摩擦表面溫度升高，接觸點不斷出現粘著-剪斷-再粘著-再剪斷的循環過程，這就形成粘著磨損。

材料的轉移主要是小塊坯料金屬轉移、粘結在模具零件表面，繼而形成堅硬的小瘤，并在坯料表面形成劃痕、擦傷以及粘合點被撕裂的痕跡。進一步滑動時，由于存在摩擦，使轉移到模具零件表面上的材料脫落，形成磨粒，粘著磨損開始轉變為磨粒磨損。對于熱鍛?？刹扇∵m當降低表面粗糙度、改善潤滑條件、加強冷卻以降低表面溫度等方法來提高抗粘著能力。

2.2 磨料磨損機理

磨料磨損是相互摩擦引起表面材料損失的現象，硬質顆粒（塵埃、金屬屑、氧化物等）夾雜在坯料與模具零件接觸面之間，刮擦模具零件表面引起材料脫落的現象以及坯料塑性流動過程中產生的犁削力引起的模具損傷，均屬于磨粒磨損。

從微觀方面解釋磨粒磨損機理：機加工的熱鍛模模膛表面必然存在一定的粗糙度，當模具工作過程中，變形坯料在載荷作用下與模膛表面緊密貼合。由于高溫變形坯料的流動應力比模具零件材料表面強度低，在接觸面的正壓力作用下，坯料與模具零件之間硬質粒子或硬質材料的微小突出部分壓入較軟的坯料中，并由于相對滑動產生微切削作用，使坯料的體積或質量微量減少，在成形坯料表面出現微切削劃痕。在熱負荷作用下，模膛表面受熱發生軟化，硬質粒子也會在模具零件側產生微切削劃痕，對模具零件產生損傷。另一方面，坯料同模膛接觸面間的材料被壓入到模膛面微凸體的間隙內，當坯料繼續在載荷作用下變形時，模膛表面微凸體間隙內的坯料由于受到模膛表面微凸體的阻擋而被切下，而模膛表面微凸體在切削變形坯料的同時，變形金屬會對微凸體產生一定的切向磨損，使模膛表面材料產生損耗，即產生磨粒磨損。

磨料磨損機理是屬于磨料的機械作用，這種機械作用與磨料的性質、形狀及尺寸大小、固定的程度以及載荷作用下磨料與被磨材料表面的力學性能有關。磨料的種類繁多，凡是在摩擦過程中起到摩擦介質的一切物質均可稱為磨料，如鍛造毛坯的氧化皮、鍛模的氧化膜、落到模膛中的粉塵以及鍛造潤滑劑的固體粒子等。