2.3 高溫氧化磨損機理

空氣中金屬表面存在一層氧化膜，坯料在成形過程中，表面材料與周圍介質發生化學反應，形成一層氧化膜附在坯料表面。當發生摩擦時，接觸點表面的氧化膜被破壞脫落，新露出的金屬表面會立即形成新的氧化膜，而當遇到第2個凸峰時，新的氧化膜又被破壞脫落，氧化膜如此反復形成又反復脫落造成了表面材料的不斷損耗，這種在機械作用下引起的表面材料損失的現象就是高溫氧化磨損，也是熱鍛過程廣泛存在的一種磨損形式。

溫度不同，坯料表面的氧化皮成分也不一樣，一般Fe有3種類型的氧化物：FeO、Fe2O3、Fe3O4。FeO的形成在570 ℃以上，Fe3O4的形成穩定在200~570 ℃，Fe2O3在200 ℃以下形成。在較低的環境溫度（200 ℃以下），氧的擴散速度較低，摩擦面薄而致密的氧化膜不足以保護磨損表面，磨損主要以粘著磨損為主。隨著溫度的升高，氧化層阻止了金屬接觸導致的粘著磨損，對金屬表面起到保護作用。溫度高于400 ℃后，氧化層在外力作用下易剝落，剝落的氧化層會增大磨損速率，導致摩擦系數增加，但是隨著溫度的升高，表面氧化物增加，磨損率明顯降低。磨損過程中，不斷重復氧化和氧化層疲勞剝落，形成動態平衡過程，剝落的氧化層一部分離開摩擦系統，造成磨損，另一部分被碾壓在剝落區，一定程度上降低磨損率。

2.4 高溫擴散磨損機理

高溫高壓下，熱鍛模與熱坯料表面的材料發生相互擴散，模具零件表層材料退化，表面合金元素重新分布，局部表面合金元素的降低，使相應部位的硬度、耐磨性、熱強度下降，縮短模具使用壽命。

刀具切削加工過程因具有切削力大、切削溫度高的特點，使刀具與工件接觸面之間的化學元素獲得足夠的能量，發生相互擴散，改變刀具的化學成分，降低刀具材料的性能，使擴散磨損成為刀具的主要磨損原因。近年來國內外一些學者從抗擴散能力角度對刀具與加工材料之間的擴散磨損行為進行研究，鄭敏利等[10]認為切削加工過程中，刀具表面溫度升高將會引起刀-屑接觸區間原子或分子的擴散，導致接觸面摩擦表層材料中的結構變化，引起材料表層物理-力學性能的改變以及摩擦性能（摩擦系數、摩擦力）和接觸面上的磨損形式發生變化等。但是，熱鍛模工作過程中除受高應力的機械載荷反復作用外，還承受熱應力的反復作用，通常熱鍛模在使用前需要在250~300 ℃預熱。模鍛時，在沖擊或靜態高壓作用下與1 200 ℃左右的熾熱鍛件短時間緊密接觸，模膛溫度急劇升高，局部溫度最高可達600~700 ℃，取出鍛件并冷卻后，模膛表面溫度迅速下降，模具始終在機械載荷和熱載荷耦合作用下工作，原子會發生頻繁擴散。

目前，國內外學者對于擴散磨損的研究局限在刀具切削加工過程中。因韓靜濤等長期從事裂紋愈合研究工作，認為模具與熱坯料互擴散現象主要是原子的相互擴散[11,12]，并且是高溫坯料側原子的擴散占主導機制，由于元素擴散作用，造成模具零件表面元素的重新分布，弱化了模具零件表面的抗磨損性能，使模具失效。不能對原子的來源進行精準區分，熱鍛模的擴散磨損行為被研究人員忽略。

基于上述分析，擴散磨損是熱鍛模的主要磨損機理，因此抗擴散能力是評價熱鍛模涂層性能的主要技術指標之一。熱鍛模涂層開發時，應重視涂層的擴散阻擋作用，進而開發新型的涂層體系，大幅度延長模具使用壽命。前期試驗情況：對熱鍛活塞頭模具零件表面涂鍍膜層，使其使用壽命延長3倍；對熱鍛活塞裙模具零件涂鍍膜層，使其使用壽命延長50%；對汽車發電機爪極模具零件涂鍍膜層，使其使用壽命延長1倍，最終模具零件都因為基體疲勞而失效。熱鍛模壽命延長的原因主要是模具零件與坯料接觸時，模具零件表面涂層具有高的硬度與耐磨性以及良好的抗熱震性能和比基體更優異的紅硬性，起到阻擋原子擴散、耐磨、隔熱的作用，延緩了模具失效。

2.5 冷熱疲勞磨損機理

熱鍛模工作條件惡劣，在高溫條件下工作時，其環境溫度并不恒定，而是急劇反復變化。溫度的反復變化在模具零件內部會產生溫差應力，使模具零件表面產生細小裂紋或局部崩裂現象，也稱為龜裂。另外連續使用時模膛表面溫度一般均超過模具零件的回火溫度，造成高溫軟化，同時冷卻潤滑又使模膛近表面層產生較大的拉應力，造成裂紋進一步擴展，最終導致材料從表面上去除。與粘著磨損和磨料磨損不同的是，疲勞磨損不可避免。

3 熱鍛模磨損失效對策

緩解熱鍛模磨損問題，延長熱鍛模使用壽命，一是通過模具設計、材料選用和各加工工藝的優化，使模具獲得較長的使用壽命；二是任何模具的失效都是在材料的強度與應力因素和環境不適應的條件下發生的，失效模具的殘骸上必定會保留失效過程的信息。對已失效模具進行分析，通過表面強化技術，針對性地強化模具失效部位，達到延長模具使用壽命、提高服役安全性和可靠性的目的[13]。

3.1 離子滲氮/提高基體表層硬度

離子滲氮是在一定真空下，以工件為陰極，以爐壁為陽極，通入400~900 V的直流電，氨氣被電離成為氮和氫的正離子及電子，這時工件表面會產生一層輝光。具有高能量的離子以較大的速度轟擊工件表面，將動能轉換為熱能，使工件表面溫度升高到450~650 ℃，同時氮離子在工件表面獲得電子后被還原成氮原子，由于濃度差的原因，氮原子向工件內部擴散形成滲氮層。

離子滲氮在氮化爐中進行，試驗過程中通入氮氣和氫氣的混合氣體，氣壓保持在260~300 Pa，輝光放電電壓為650~800 V。氮化溫度為510 ℃，經8 h的滲氮處理，得到的滲氮層總厚度約為0.2 mm，氮化層硬度約為1 200 HV。離子滲氮層具有較高的硬度和耐磨性，化合物保護膜降低了模具零件與坯料間的摩擦系數，同時降低了摩擦副之間的互溶性，避免了咬合的現象。由表1可見，離子滲氮處理方法延長了活塞頭熱鍛模的壽命。

表1   離子氮化對活塞頭模具使用壽命的影響

3.2 PVD涂層/抑制坯料與基體元素互擴散

多弧離子鍍是在真空條件下進行，以工件為陰極，爐體為陽極，引弧時，在接通電源的同時使引弧電極與靶材瞬間接觸又瞬間離開，在離開的瞬間，由于引弧電極和靶材間的導電面積迅速縮小，局部微小區域的溫度迅速升高，靶材表面出現一些不連續、大小和形狀多樣、明亮的斑點，即陰極弧斑。它們在陰極表面迅速地做不規則游動，一些弧斑熄滅時又有弧斑在其他部位形成，這樣持續消失和持續形成維持了電弧的燃燒。電弧燃燒產生大量金屬原子（如Ti），這些原子再被電離成能量較高的正離子（如Ti+），正離子在真空室內運行時與其他離子結合（如與N+形成TiN），沉積在工件表面形成涂層[14]。

熱鍛模在工作條件下，由于基體硬度較低，一般低于52 HRC，急冷急熱導致的彈塑性變形較大，模具模膛深且復雜，表面強化層的塌陷、剝落是影響模具使用性能的關鍵。熱作模具零件表面強化處理并不要求得到過高的表面硬度，但獲得的強化層與基體具有高的結合強度和相近的線膨脹系數，強化層也要有一定的強韌性和耐熱性。綜合考慮，采用離子氮化—PVD復合涂層技術，離子氮化強化了模具零件表層硬度，PVD涂層抑制了由濃度不同引起的坯料/基體元素互擴散現象。表2所示采用離子氮化—PVD復合涂層技術，延長了活塞頭模具的使用壽命。

表2   離子氮化—PVD復合涂層對活塞頭模具使用壽命的影響

4 結束語

研究磨損的目的在于通過對各種磨損現象進行分析，找出其變化規律和影響因素，尋求控制磨損和提高抗磨損性能的措施。熱鍛模的工作條件較為復雜和惡劣，1副模具在使用過程中存在多種損傷形式，這些損傷相互作用、相互促進，最后表現一種或多種形式的失效，因此需要對模具零件的基本失效形式和機理進行剖析和研究?；跀U散磨損理論開發的熱鍛模PVD擴散阻擋涂層，通過不同合金元素的調配，制備具有良好阻擋擴散效果又兼具優良力學性能的涂層，延長了模具使用壽命，驗證了擴散磨損理論的正確性。（*內容源自模具工業）