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第２８卷第５期 ２００７年１０月 特殊钢 ＳＰＥＣＩＡＬ ＳＴＥＥＬ Ｖ０１．２８．Ｎｏ．５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２００７・３７・ 三种耐蚀塑料模具钢的耐磨性和磨损机理 颜飞 徐洲 金冰忠 （１上海交通大学教育部高温材料及高温测试开放实验室，上海２０００３０； ２宝钢技术中心，上海２０１９００） 摘要通过Ｍ２００环．块磨损试验机和扫描电镜研究了具有良好耐腐蚀性能的３种塑料模具钢ＳＴＡＶＡＸ （％：０．３７Ｃ、１３．４０Ｃｒ、０．３１Ｖ）、Ｍ３３０（％：０．３６Ｃ、１２．８８Ｃｒ、０．１５Ｍｏ）和Ｎ７０２（％：０ ０５Ｃ、１６．３０Ｃｒ、４．００Ｃｕ、４．００Ｎｉ、 ０．３４Ｎｂ）的磨损性能和磨损表面形貌。结果表明，ＳＴＡＶＡＸ、Ｍ３３０和Ｎ７０２钢在淬、回火后ＨＲＣ值分别为５５、５３和 ４４，磨痕宽度分别为２ ６１ ｍｍ、２．７４ ｍｍ和７．４１ ｍｍ。ＳＴＡＶＡＸ和Ｍ３３０钢组织为基体＋细球状碳化物，具有较高的 耐磨性，而Ｎ７０２钢的基体相对较软，无第二相碳化物，在试验过程中其基体极易磨损，形成大量疲劳裂纹，易导致 块状或片状剥落，耐磨性较低。 关键词耐蚀塑料模具钢碳化物表面硬度耐磨性 Ｗｅａｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｗｅａｒｉｎｇ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ Ｋｉｎｄｓ ｏｆ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｄｉｅ Ｓｔｅｅｌ Ｙａｎ Ｆｅｉ ．Ｘｕ Ｚｈｏｕ ａｎｄ Ｊｉｎ Ｂｉｎｇｚｈｏｎｇ （１ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｔｅｓｔｓ ｏｆ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００３０；２ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂａｏｓｔｅｅｌ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１９００） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｗｅａｒ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ａｎｄ ｗｅａｒ ｓｕｒｆａｃｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｉｅ ｓｔｅｅｌ ＳＴＡＶＡＸ（０ ３７Ｃ． １３．４０Ｃｒ．０．３１Ｖ），Ｍ３３０（０．３６Ｃ．１２．８８Ｃｒ，０．１５Ｍｏ）ａｎｄ Ｎ７０２（０．０５Ｃ，１６．３０Ｃｒ，４．００Ｃｕ，４．００Ｎｉ，０ ３４Ｎｂ）ｗｉｔｌｌ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｂｙ Ｍ２００ ｒｉｎｇ．．ｂｌｏｃｋ ｗｅａｒ ｔｅｓｔｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅ ａｎｄ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｍｉｃｒｏ．． ｓｃｏｐｅ Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ＨＲＣ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｑｕｅｎｃｈｅｄ ａｎｄ ｔｅｍｐｅｒｅｄ ＳＴＡＶＡＸ．Ｍ３３０ ａｎｄ Ｎ７０２ ｓｔｅｅｌ ｗａｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ５５．５３ ａｄ ｎ４４．ａｎｄ ｗｉｄｔｈ ｏｆ ｗｅａｒ ｃｏａｔ ｗａｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ２．６ １ ｍｍ．２．７４ ｍｍ ａｎｄ ７．４１ ｍｍ：ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ＳＴＡＶＡＸ ｓｔｅｅｌ ａｎｄ Ｍ３３０ ｓｔｅｅｌ Ｗａｓ ｍａｔｉｘ＋ｆｒｉｎｅ ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｃａｒｂｉｄｅ ａｎｄ ｈａｄ ｈｉｇｈｅｒ ｗｅａｒ ｒｅｓｉｓｔｎｃｅ．ｗｈｉａｌｅ ｔｈｅ ｍａｔｒｉｘ ｏｆ Ｎ７０２ ｓｔｅｅｌ Ｗａｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｓｏｆｔ ｎｄ ｔｈｅｒｅ ｗａａｓｎ’ｔ ｓｅｃｏｎｄ ｐｈａｓｅ．ｃａｒｂｉｄｅ ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｉｏｎ ｗｈｉｃｈ ｈａｄ ｌｏｗｅｒ ｗｅａ五ｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．ｄｕｒｉｎｇ ｔｅｓｔｉｎｇ ｔｈｅ ｍａｔｉｒｘ ｗａｓ ｅａｓ— ｉｌｙ ｗｏｒｎ ｔｏ ｆｏｒｍ ａ ｌｏｔ ｏｆｆａｔｉｇｕｅ ｃｒａｃｋ ｌｅｄ ｔｏ ｂｌｏｃｋ ａｎｄ ｌａｍｅＵａ ｗｅａｉｎｇ ｏｆｆ． Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｉｎｄｅｘ Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｓｔａｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｄｉｅ Ｓｔｅｅ１．Ｃａｒｂｉｄｅ．Ｓｕｒｆａｃｅ Ｈａｒｄｎｅｓｓ，Ｗｅａｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ 近年来塑料制品业发展非常迅速，塑料加工机 械化程度不断提高，对使之成型的塑料模具材料、设 计、制造要求越来越高。对塑料模具材料而言，除要 求其具有优良的耐磨性、切削加工性、耐热性及高的 强韧性外，针对某些塑料（如聚氯乙稀、氟塑料等） 在熔融状态下，会分解出氯化氢、氟化氢和二氧化硫 ４０ ｍｍ×４０ ｍｍ，使用过程主要为表面磨损。其化学 成分如表１所示。３种材料均为退火态组织。分别 经过调制处理后进行耐磨性测试。表２给出了３种 钢种的实际热处理工艺，该工艺均是厂家提供的对 应材料的最佳热处理工艺。 热处理后的ＳＴＡＶＡＸ、Ｍ３３０、Ｎ７０２钢分别加工 等气体，故模具要有一定的耐腐蚀性…。针对这种 情况应选择耐腐蚀不锈钢，主要有Ｃｒｌ３型不锈钢、 Ｃｒｌ８型高铬不锈钢等。为此，对比研究了３种具有 成（ｍｍ）６×７×１６规格试样，试样的待测试面先作 磨平抛光处理。选取ＧＣｒｌ５作为摩擦副材料，将退 火态的ＧＣｒｌ５经淬回火处理后加工成外圆直径４０ ｍｍ、内圆直径１６ ｍｍ、厚度为１０ ｍｍ的圆环并将其 良好抗腐蚀性能的高级镜面塑料模具钢材料 ＳＴＡＶＡＸ、Ｍ３３０和Ｎ７０２钢的摩擦磨损性能，并对其 磨损机理进行了比较分析。 １试验材料与方法 外圆磨光。热处理后的ＧＣｒｌ５硬度值可达ＨＲＣ６０。 表１ ３种塑料模具钢的主要化学成分／％ Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｉｅ ｓｔｅｅｌ／％ 试验选取了瑞典ＵＤＤＥＨＯＬＭ公司生产的高级 镜面模具钢ＳＴＡＶＡＸ和奥地利ＢＯＨＬＥＲ公司生产 的Ｍ３３０及Ｎ７０２钢作为研究对象。这３种模具钢 均为塑料模具镶件材料，镶件为块体，工作表面为 维普资讯 http://www.cqvip.com
・３８・ 表２ ３种模具钢的热处理工艺及硬度值 特殊钢 第２８卷 Ｔａｂｌｅ ２ Ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｉｅ ｓｔｅｅｌ 钢种 热处理工艺 硬度值（ＨＲＣ） ＳＴＡＶＡＸ １ ０２０ ０Ｃ淬火，４５０ ０Ｃ回火２次，每次２ ｈ Ｍ３３０ １ ０２０ ０Ｃ淬火，４００ ０Ｃ回火２次，每次２ ｈ Ｎ７０２ １ Ｏ４Ｏ℃淬火，４８０ ｏＣ时效处理，１ ｈ ５５ ５３ ４４ 昌 、 稠 辑 妊 试验在Ｍ２００环一块磨损试验机上进行，所加摩擦载 荷为１００ Ｎ，转速为４００ ｒ／ｍｉｎ，无润滑。每个试样测 试时间为３ ｈ，试验在室温进行。每测试１ ｈ后将试 样取下，在丙酮中用超声波清洗试样，烘干后用分析 天平称量以观察单位时间内试样的损失重量。测试 图１ ３种塑料模具钢的磨损量 Ｆｉｇ．１ Ｗｅａｒｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｉｅ ｓｔｅｅｌ 完毕后，采用工具显微镜测定磨痕宽度，每种材料均 进行３次试验。采用Ｓ－４２００扫描电镜观察试样的 显微组织、磨损表面。将磨损试样沿与磨面垂直且 与摩擦副滚动方向平行的方向切开，镶嵌后制成金 相样观察截面的组织形貌。 ２试验结果和分析 的磨损表面扫描电镜照片，摩擦副滚动方向与图中 磨削痕方向平行。从图２可见，３种试样表面均被磨 成沟槽状，出现较为明显的犁削痕迹。但是沟槽的宽 度和深度及表面状况差异很大。ＳＴＡＶＡＸ和Ｍ３３０钢 ２．１试样的磨损性能 表面沟槽纹理较窄，且宏观磨痕非常光滑。两材料的 磨损失效方式主要是摩擦副对材料基体的显微切削 逐渐磨蚀。而Ｎ７０２钢表面沟槽相对更宽更深，表层 非常粗糙，其磨损失效方式表现为磨损表面呈块状 图１给出了磨损试验中各材料随磨损时间变化 累计磨损量的大小。从图１可以看出，ＳＴＡＶＡＸ钢 的磨损量最小，其磨损量与磨损时间近似成线性关 系。Ｍ３３０钢与Ｎ７０２钢的磨损行为也表现出了相 或片状逐层疲劳剥落，表层剥落痕迹清晰可见。 图３为磨损试样截面的形貌。ＳＴＡＶＡＸ和 Ｍ３３０两材料经淬回火后基体组织均由马氏体和一 定量均匀分布在基体上的碳化物组成。而Ｎ７０２基 体主要由板条马氏体组成，其中并无大量的碳化物。 ３个试样表层在磨损过程中均形成了一定厚度的皱 纹状塑性变形层，如图３中箭头所示。变形层厚度 同趋势，但Ｍ３３０钢磨损量较ＳＴＡＶＡＸ钢要大，而 Ｎ７０２钢的磨损最为严重，磨损量明显超过其它两钢 种。３种材料ＳＴＡＶＡＸ、Ｍ３３０、Ｎ７０２的最终磨痕宽 度分别为２．６１ ｍｍ、２．７４ ｍｍ和７．４１ ｍｍ。 ２．２试样的磨损表面 本试验的材料及摩擦副硬度值均较高，在试验 过程中观察到试样表面有褐色氧化物产生。但试验 结束将试样清洗后对摩擦面观察，表明材料在磨损 过程中并未发生明显的物质转移。图２是３种试样 与基体硬度成反比。宏观硬度高的基体能更有效抵 抗外力变形，因此ＳＴＡＶＡＸ钢变形层最小，且变形 层中无明显裂纹出现。Ｍ３３０钢表层特征与 图２ ３种塑料模具钢的磨损表面形貌，ＳＥＭ：（ａ）ＳＴＡＶＡＸ；（ｂ）Ｍ３３０；（ｃ）Ｎ７０２ Ｆｉｇ．２ Ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆ ｗｏｒｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｉｅ ｓｔｅｅｌ，ＳＥＭ：（ａ）ＳＴＡＶＡＸ；（ｂ）Ｍ３３０；（ｃ）Ｎ７０２ 维普资讯 http://www.cqvip.com
第５期 颜飞等：三种耐蚀塑料模具钢的耐磨性和磨损机理 ・３９・ 图３ ３种塑料模具钢磨损试样的组织形貌，ＳＥＭ：（ａ）ＳＴＡＶＡＸ；（ｂ）Ｍ３３０；（ｃ）Ｎ７０２ Ｆｉｇ．３ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙ ｏｆｗｏｒｎ ｓａｍｐｌｅ ｏｆｔｈｒｅｅ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｐｌａｓｔｉｃ ｄｉｅ ｓｔｅｅｌ，ＳＥＭ：（ａ）ＳＴＡＶＡＸ；（ｂ）Ｍ３３０；（ｃ）Ｎ７０２ ＳＴＡＶＡＸ钢类似，但变形层厚度稍大。而Ｎ７０２钢变 形层厚度最大，其厚度为ＳＴＡＶＡＸ钢的２～３倍。 蚀作用而反复进行的磨损过程。而Ｎ７０２钢宏观硬度 低，在外力作用下基体容易变形且变形层相对更深。 在磨损初期，基体中疲劳裂纹数量相对较少且裂纹也 相对较小，表层剥落数量也较少。而随着磨损时间的 且变形层中存在大量裂纹，当裂纹扩展至表面时，形 成磨损碎片直接导致表层的脱落。观察还表明， ＳＴＡＶＡＸ钢与Ｍ３３０钢表面变形层中及亚表层中的 碳化物并未碎化和变形，与基体结合良好。 ２．３试验钢种的磨损机理 决定试样磨损性能的主要因素基体硬度和其中 的碳化物相。一般而言，基体中存在较基体更硬且均 匀弥散分布在基体上的硬质相（如碳化物）时能显著 增加，疲劳裂纹大量出现且不断扩散，密集的裂纹经 短距离扩散连接成大裂纹，造成更大的片状或块状的 剥落。这是Ｎ７０２钢的磨损机理，也是导致该钢在磨 损过程中磨损量随磨损时间增加而增加的主要原因。 ３结论 塑料模具钢ＳＴＡＶＡＸ、Ｍ３３０及Ｎ７０２钢的磨损 试验研究结果表明：耐磨性最好的是ＳＴＡＶＡＸ钢， 提高材料的耐磨性 。因为在摩擦过程中，第二相 主要承受法向载荷，而基体则承受剪切应力 Ｊ。较软 的基体首先被磨削成沟槽，基体中的第二相逐渐露出 基体表面。如果碳化物相不规则且非常粗大，过于突 其次是Ｍ３３０钢，最差为Ｎ７０２钢。ＳＴＡＶＡＸ钢和 Ｍ３３０钢坚硬的基体及基体中均匀分布的规则小球 状碳化物粒子是这２种材料具有优良耐磨性的主要 原因。在滚动摩擦条件下，前２种钢的磨损量随时 间线性增加，表现出了较好的均一性能。而Ｎ７０２ 出则易造成碳化物处的基体表面应力集中，导致碳化 物容易脱落，而脱落的粒子在基体表面又会反过来造 成对材料的磨粒磨损。从图３中可看出，ＳＴＡＶＡＸ钢 与Ｍ３３０钢中的碳化物均为细小球状，无大块不规则 碳化物，与基体结合良好且不连续均匀分布。虽然在 磨损过程中摩擦副对材料的微观切削不可避免，但突 出的碳化物能有效的抵御摩擦副材料的显微切削而 钢的耐磨性最差，这与磨损过程中形成的大量疲劳 裂纹的扩展连接导致表面呈块状或片状剥落有关。 参考文献 １宋呜，倪亚辉．塑料模具钢的性能和选用．塑料工业，２００４，３２ （１０）：３７ ２ Ｘｕ Ｌ Ｊ，Ｘｉｎｇ Ｊ Ｄ，Ｗｅｉ Ｓ Ｚ，ｅｔ ａ１．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｒｅｌａｔｉｖｅ Ｗｅａｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ Ｗｅａｒ Ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ Ｈｉｇｈ・ｓｐｅｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｃｏｎｔｅｎｔ． 保护基体，且细小规则的球状碳化物也不易变形和碎 化，减少了裂纹源的产生，因而材料的摩擦性能显著 提高。Ｎ７０２钢磨损性能低于前２种钢的一个重要原 Ｗｅａｒ，２６２（３～４）：２５３ ３ Ｗｅｉ Ｓ Ｚ，Ｚｈｕ Ｊ Ｈ，Ｘｕ Ｌ Ｊ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ Ｗｅａｒ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｈｉｇｈ Ｓｐｅｅｄ Ｓｔｅｅｌ Ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｃｏｎｔｅｎｔ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎ． 因，是由于基体中无大量碳化物相的存在。 ＳＴＡＶＡＸ钢与Ｎ７０２钢另一个主要区别是基体宏 观硬度的差异。ＳＴＡＶＡＸ钢硬度高，抵抗外力变形能 力强，在磨损过程中能够对碳化物粒子提供更有力的 支撑，２种因素互相促进提高材料的耐磨性。 ＳｒｆＡＶＡｘ钢和Ｍ３３０钢的磨损机理主要是基体受到显 ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ａ，２００５（４０４）：１３８ ４徐寒冰，简小刚，吴建生．喷射成形及轧制１２ＣｒＭｏＶ钢的微观组 织与摩擦学性能研究．金属学报，２００１，３７（８）：８８９ 颜 飞（１９７９一），男，博士生，２００１年武汉科技大学毕业，主 要从事模具钢组织性能研究。 收稿日期：２００７－０５－０８ 微切削，碳化物逐渐显露、剥落，进而基体被进一步磨
