摘要
高温磨损是热作模具在严酷工作条件下的一种典型的失效形式，高温下热作模具钢的耐磨性的差异直接影响着热作模具的使用寿命。然而目前，针对热作模具钢高温磨损失效机理以及影响因素等尚不完善，特别对高温下摩擦层和钢基体对耐磨性的作用缺少深入分析。本文采用高温磨损实验机对H13、H21钢进行了销-盘式高温磨损实验，采用XRD、SEM、EDS和显微硬度等分析手段，对磨损表面及亚表面进行了系统的检测与分析，系统的研究了不同滑动条件下的摩擦层、基体与磨损行为及机制的对应关系，揭示了两种典型热作模具钢的高温磨损失效机理，具有重要的理论意义和工程应用价值。 实验结果表明：在高温400-600℃、载荷50-150N和转速50、100r/min下，H13和H21钢表现出不同的磨损行为，磨损率随着滑动条件而变化的规律有很大差异。对于H13钢，转速对磨损率影响显著，在50r/min下磨损率随载荷增加先升后降；而100r/min下随载荷增加单调升高，尤其在600℃、150N下，磨损率指数级快速增长，转变为严重磨损；100r/min下磨损率均高于50r/min下的；不论转速和载荷，500℃的磨损率最低，50r/min下600℃次之，400℃最差，100r/min下400℃次之，600℃最差。而对于H21钢，磨损率随载荷、温度增加单调升高；在400-500℃下，磨损率较低，转速影响不大；而在高温600℃下磨损率发生突变，转变为严重磨损，且转速影响显著，50r/min下的磨损率3-4倍于100r/min下的。在400-500℃下，H13和H21钢具有高的耐磨性，且耐磨性相近，H13钢的略高于H21钢的；而在高温600℃下，H13钢在50r/min、50-150N和100r/min、50-100N下具有高的耐磨性，H21钢耐磨性极差，且50r/min下耐磨性比100r/min下耐磨性更差；而H13钢仅在100r/min、150N下耐磨性与后者相近。 通过对H13和H21钢的磨损特征的微观分析，发现H13钢在50r/min、500℃下的磨损机制为氧化轻微磨损，而H13钢在100r/min、600℃和150N条件下发生了严重塑性挤出，其余情况下磨损机制为氧化磨损。H21钢在400-500℃下为氧化磨损，当温度升高至600℃，磨损加剧，转变为氧化严重磨损。高温磨损中，热作模具钢的耐磨性取决于磨面形成的摩擦氧化物层以及基体的热稳定性。高温下磨面逐渐形成摩擦氧化物层，当亚表面基体具有足够的承载能力时，摩擦氧化物层可以有效保护基体，此时为氧化轻微磨损。而当基体由于软化而承载能力降低而发生一定的塑性变形，导致摩擦层部分剥落，只能部分保护基体，发生氧化磨损，即氧化磨损的轻微-严重磨损转变；当亚表面基体由于软化发生塑性流变（H21钢在高温、高载、高转速下），摩擦氧化物层大量剥落而完全失去保护作用，发生塑性挤出磨损；而对于H13钢在高温下第二相碳化物发生粗化而变脆，在周期性摩擦力作用下，易发生沿着基体与第二相的界面开裂，使得、其上的摩擦氧化物层大量剥离，其保护作用部分失去（400-500℃）或完全失去（600℃），从而发生氧化磨损或氧化严重磨损。
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