摘 要 基于热锻模失效总体研究现状，结合热锻模工作过程中的实际磨损情况，分析了多因素作用下热锻模的摩擦磨损机理，将扩散磨损理论应用在热锻模中，针对性地提出改善锻模磨损的有效措施，讨论了热锻模PVD涂层将是延缓锻模磨损的有效方法，并基于扩散磨损理论开发的扩散阻挡涂层延长了活塞头锻模的使用寿命。

关键词 热锻模；扩散磨损；磨料磨损；离子渗氮；机械载荷

0 引 言

锻模是生产模锻件的关键工艺装备[1-3]，目前以机器人、步进梁为代表的自动化技术是锻造行业机器换人技术的发展趋势，使用寿命长的锻模成为实现锻件生产机械化和自动化的必备条件。模具使用寿命是衡量模具质量的重要指标之一，无论是模具的大型化、复杂化，还是高精度、高效率，都依赖于模具使用寿命的延长，只有高质量的模具才能生产优质的模锻件，模具与锻件的性价比反映了企业技术和管理水平，而模具使用寿命则在性价比中起着关键作用[4]。

模具使用寿命不仅影响锻件生产质量，还影响生产效率和成本，目前锻造行业广泛应用的热作模具钢为H13、DIEVAR等，尽管都具有高的淬透性和高的韧性以及优良的抗热裂能力和抗高温软化能力，但仍然存在模具零件拉伤、开裂等问题，导致生产的锻件表面产生划痕，增加后续加工成本。延长模具使用寿命就是延缓模具零件的失效，延缓模具零件失效的前提是要认知模具零件的失效行为。针对延长热锻模使用寿命的方法，利用离子碳氮共渗与物理气相沉积的复合处理技术将钢质活塞头使用寿命延长3倍，单次可锻打1.9万次以上，使用寿命达到国际先进水平。热锻模的磨损失效是一个热（温度）—力（摩擦力）—化学介质（润滑剂）等多因素长时间共同作用造成的非线性动力学问题，结合模具失效形式，现有的磨损理论不能清晰地解释模具零件的摩擦磨损行为，必须从模具失效行为进行分析，剖析其失效机理，揭示元素扩散行为对模具性能的影响，针对模具不同的使用工况制备特定元素及成分的涂层扩散，对延长模具使用寿命、提高锻件市场竞争力具有重要意义。

1 热锻模失效概述

热锻模的模膛起成形锻件的作用，与炽热的坯料直接接触，受脉冲式热负荷、锻压设备施加的高能量冲击载荷、金属坯料流动的冲刷及环境介质的影响，最终导致模膛部分出现不可修复的损伤，即为锻模失效。在模具零件加工质量正常及操作规范的情况下，这种失效称为正常失效。当模具未达到设计的使用寿命时，称之为模具的非正常失效，即早期失效。早期失效主要有模体脆性断裂、模膛压塌和局部严重磨损等[5]。即使是一批同样的模具也不可能完全以同一种形式失效，经调查发现，某企业成形同一种钢质活塞裙的模具，有的模具零件出现严重磨损，有的以模膛部分断裂而失效，而且存在不同的裂源部位。据相关资料显示，在上述失效形式中，磨损失效所占的比例最大，热锻模磨损失效为70 %左右；其次为裂纹失效，为20 %左右；由塑性变形和疲劳导致的失效为10%左右。

2 热锻模的磨损

磨损并非材料的属性，而是由于物体或零件相互接触并发生相对运动，依靠机械和化学的作用致使表面物质不断去除的过程，一般认为这种行为是有害的，但事实并非如此，如新机器磨合、磨削加工都是磨损过程[6]。热锻行业中由于磨损在生产应用中具有广泛且重要的实际意义，应重视对锻模磨损的研究。

热负荷和机械载荷被视为影响热锻模使用寿命的根本因素，模膛和锻件表面接触方式是影响热锻模磨损的主要因素。在热力耦合作用下，模膛表面的磨损情况复杂，热锻模磨损至今尚无统一而准确的定义。根据研究认为按照不同的磨损机理分类比较合适，将磨损分为4个基本类型：磨粒磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损和腐蚀磨损。虽然分类并不完善，但概括了各种常见的磨损形式[7]。对于与炽热金属直接接触的热锻模，其磨损现象包含许多复杂的过程，不仅是一种磨损机理在起作用，而是从一种形式到另一种形式的转化，或是多种磨损机理耦合下的结果。随着工况条件的变化，不同形式磨损的主次不同，仅从表面现象的角度对磨损形式进行分类，对解决工程问题的意义不大。以下对热锻模的摩擦磨损行为进行分析总结，除了考虑热坯料与模具零件的交互作用外，还从应力和原子扩散角度加以阐述，探明其机理，减少或避免同类失效现象的发生，达到延长模具使用寿命，提高经济效益和社会效益的目的。

2.1 热粘着磨损机理

热锻模模膛表面受坯料滑动摩擦较大的部位，由于摩擦切应力和热负荷的作用，易使模膛表面产生热粘着磨损。这种热粘着磨损可认为是在一定温度和压力下，坯料与模膛局部表面发生粘合，在切应力的作用下粘合处被破坏，出现材料的迁移以及沿滑动方向出现不同程度的划痕，严重时形成沟槽。按照金属转移程度不同，可分为：轻微粘着、涂抹、擦伤、胶合等[8]。

即使光滑的金属表面在微观下也凹凸不平，存在波峰与波谷，从微观角度解释热粘着磨损机理，则是2个摩擦表面接触时，由于表面不平，实际接触面积只有表观面积的0.01%~0.1%，即发生微凸体之间的接触。在一定载荷作用下，微凸体的局部压力可能超过材料的屈服压力，较大的接触应力造成表面相互嵌入，破坏了表面微观结构，使纯金属接触部分形成了分子相互吸引的条件。在相对滑动作用下，接触点发生塑性变形或剪切，表层材料中的粘结相晶粒之间首先产生微裂纹，进而恶化基体晶粒之间的连接状态，弱化了晶界强度，使材料抗断裂、破损能力下降，其中可能产生了一部分分子的转移。磨损的产生则是由于原子键连接并不一定都在原始微观连接处断开，而有可能在摩擦副中较弱的表面层附近断开，使材料从摩擦副一方到另一方的转移[9]。随着2个摩擦表面温度升高，接触点不断出现粘着-剪断-再粘着-再剪断的循环过程，这就形成粘着磨损。

材料的转移主要是小块坯料金属转移、粘结在模具零件表面，继而形成坚硬的小瘤，并在坯料表面形成划痕、擦伤以及粘合点被撕裂的痕迹。进一步滑动时，由于存在摩擦，使转移到模具零件表面上的材料脱落，形成磨粒，粘着磨损开始转变为磨粒磨损。对于热锻模可采取适当降低表面粗糙度、改善润滑条件、加强冷却以降低表面温度等方法来提高抗粘着能力。

2.2 磨料磨损机理

磨料磨损是相互摩擦引起表面材料损失的现象，硬质颗粒（尘埃、金属屑、氧化物等）夹杂在坯料与模具零件接触面之间，刮擦模具零件表面引起材料脱落的现象以及坯料塑性流动过程中产生的犁削力引起的模具损伤，均属于磨粒磨损。

从微观方面解释磨粒磨损机理：机加工的热锻模模膛表面必然存在一定的粗糙度，当模具工作过程中，变形坯料在载荷作用下与模膛表面紧密贴合。由于高温变形坯料的流动应力比模具零件材料表面强度低，在接触面的正压力作用下，坯料与模具零件之间硬质粒子或硬质材料的微小突出部分压入较软的坯料中，并由于相对滑动产生微切削作用，使坯料的体积或质量微量减少，在成形坯料表面出现微切削划痕。在热负荷作用下，模膛表面受热发生软化，硬质粒子也会在模具零件侧产生微切削划痕，对模具零件产生损伤。另一方面，坯料同模膛接触面间的材料被压入到模膛面微凸体的间隙内，当坯料继续在载荷作用下变形时，模膛表面微凸体间隙内的坯料由于受到模膛表面微凸体的阻挡而被切下，而模膛表面微凸体在切削变形坯料的同时，变形金属会对微凸体产生一定的切向磨损，使模膛表面材料产生损耗，即产生磨粒磨损。

磨料磨损机理是属于磨料的机械作用，这种机械作用与磨料的性质、形状及尺寸大小、固定的程度以及载荷作用下磨料与被磨材料表面的力学性能有关。磨料的种类繁多，凡是在摩擦过程中起到摩擦介质的一切物质均可称为磨料，如锻造毛坯的氧化皮、锻模的氧化膜、落到模膛中的粉尘以及锻造润滑剂的固体粒子等。