热作模具钢的氧化磨损行为及磨损机制

作     者：王峰 

作者单位：江苏大学 

学位级别：博士

导师姓名：王树奇

授予年度：2009年

学科分类：08[工学] 080203[工学-机械设计及理论] 080502[工学-材料学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 

主      题：热作模具钢 氧化磨损 摩擦学 显微组织 热处理工艺 

摘      要：氧化磨损是一种普遍存在的金属磨损失效形式和磨损机制，也是热作模具的主要失效形式之一，改善热作模具钢的耐磨性是进一步提高热作模具寿命的关键。研究不同工况条件和热处理工艺下热作模具钢氧化磨损行为及磨损机制，不仅有助于提高模具钢的耐磨性，而且为新型模具钢的合金成分设计和热处理工艺选择提供理论依据，同时对于丰富和完善摩擦学理论具有重要的学术价值。\n 本文系统研究了两种典型热作模具钢(H13和H21钢)的显微组织对磨损性能的影响规律和不同工况条件下热作模具钢的磨损行为。通过对磨面、磨面剖面和磨屑的形貌、结构和成分的观察和测试，分析了磨损表面氧化物的形成、剥落及作用，深入探讨了氧化磨损机制，给出了氧化物层、基体组织与磨损机制和耐磨性的对应关系，提出了一种新的氧化磨损模型，对氧化磨损理论给予了补充。\n 给出了热作模具钢耐磨性与显微组织的对应关系。当载荷较低或处于轻微磨损时，不同显微组织钢的耐磨性相近；而在较高载荷或超出轻微磨损时，显微组织对耐磨性有显著影响。正常温度淬火回火钢耐磨性较高，其耐磨性按回火索氏体、回火马氏体、回火屈氏体的顺序依次提高。二次硬化提高耐磨性，回火脆性严重损害耐磨性。可见，钢的高温耐磨性取决于钢的强韧性配合和热稳定性。给出了不同工况条件下热作模具钢的磨损行为及磨损机制。室温下主要以粘着磨损为主，随着温度升高，磨损机制逐渐转变为氧化磨损，200℃为典型的氧化轻微磨损，其磨损率明显低于室温和400℃，400℃下主要为氧化严重磨损，其主要磨损形式为氧化剥层磨损，这时基体塑性变形或热软化导致磨面氧化物剥落增加，甚至出现从亚表面基体内部的剥落，并伴随着氧化物层从单层向多层转化，最后出现磨损表面的塑性流动，从轻微磨损进入严重磨损。结果表明，热作模具钢高温耐磨性取决于摩擦氧化物(厚度、形貌)和基体(软化程度)的共同作用，厚的单层氧化物和足够的基体强度保证高的耐磨性，推迟轻微-严重磨损转变。提出了氧化剥层磨损模型，其不同于Quinn等和Wilson等的氧化磨损理论和Suh的剥层磨损理论，很好的简述了严酷工况条件下钢的高温磨损机制，并得到实验验证。