隨著模具工業(yè)的迅速發(fā)展，我國(guó)在冷作模具鋼材料的研制開發(fā)等各個(gè)方面都有了迅猛的發(fā)展，雖然新型Cr8系列冷作模具鋼兼有中合金冷作模具鋼韌性高、高合金冷作模具鋼強(qiáng)度高和耐磨性好的優(yōu)點(diǎn)，基本上解決了市場(chǎng)上常用冷作模具鋼早期脆斷、韌性不足或者變形失效的問題，但是冷作模具材料磨損或咬合失效的問題仍然難以解決。為延長(zhǎng)模具壽命，在保證強(qiáng)韌性的前提下解決磨損問題，本文基于高碳高鉻系自潤(rùn)滑冷作模具鋼為研究材料，結(jié)合了多種摩擦磨損試驗(yàn)方式下的抗磨損性能并對(duì)其抗磨損機(jī)理進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明，高碳高鉻系自潤(rùn)滑冷作模具鋼的摩擦系數(shù)遠(yuǎn)低于其他傳統(tǒng)鋼種，表現(xiàn)出了優(yōu)異的抗磨損性能，具有巨大的工程應(yīng)用價(jià)值，但其抗磨減摩及自潤(rùn)滑機(jī)理和自潤(rùn)滑相的調(diào)控技術(shù)尚無(wú)系統(tǒng)理論研究。

　　目前對(duì)于這種自潤(rùn)滑冷作模具鋼是一個(gè)全新的概念，其研究和生產(chǎn)尚處于未公開階段，對(duì)于其自潤(rùn)滑機(jī)理和控制的研究尚不明確，故本文通過研究冷作模具鋼及其相類似合金體系鋼種的文獻(xiàn)，旨在綜述S、Cu、Al等合金元素在新型冷作模具鋼中所起的作用，通過表征不同形式的摩擦磨損性能與微觀組織的內(nèi)在聯(lián)系，從而揭示自潤(rùn)滑相在鋼中的減磨機(jī)理，并且簡(jiǎn)要敘述自潤(rùn)滑鋼中自潤(rùn)滑相控制的方法，探討熱處理工藝對(duì)自潤(rùn)滑相的類型、形態(tài)、大小及分布行為的影響規(guī)律和機(jī)制。

主要合金元素在自潤(rùn)滑鋼中的作用

　　本文所采用的是高碳高鉻系自潤(rùn)滑冷作模具鋼，為保證足夠的淬透性同時(shí)減輕一次碳化物偏析，Cr最低控制在8%左右;通過添加一定量的W和Mo來實(shí)現(xiàn)二次硬化，另添加Ni、Al形成Al3Ni金屬間化合物，通過其沉淀補(bǔ)償二次硬化;添加的Cu可作為形核核心，使Al3Ni的析出溫度降低到二次硬化溫度附近，最重要的是添加S形成的硫化物作為自潤(rùn)滑相，改善了可加工性，提高抗磨損性能。鑒于此，本文所綜述的材料主要是添加S、Cu 等合金元素的Fe–1.0%C–8.3%Cr–Ni–Mo–W–Al–Cu–S高碳高鉻系自潤(rùn)滑冷作模具鋼。

自潤(rùn)滑鋼的抗磨損機(jī)理分析

　　本文選取了三種不同方式的試驗(yàn)方式，第一種采用使用試驗(yàn)的方式，即直接在實(shí)際的工況下，直觀評(píng)價(jià)自潤(rùn)滑冷作模具鋼的抗磨損性能優(yōu)劣，第二、三試驗(yàn)中采用試樣試驗(yàn)的方式，研究分析抗磨損的機(jī)理。

　　第一種試驗(yàn)使用80噸曲柄壓力機(jī)進(jìn)行如下圖所示的帽形彎曲試驗(yàn)，其模具為國(guó)外某廠研發(fā)的S-MAGIC自潤(rùn)滑冷作模具鋼。其試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，3次沖程后在S-MAGIC鋼中不發(fā)生擦傷，而其他模具材料都已發(fā)生較為明顯的擦傷。而S-MAGIC鋼沖壓件的表面粗糙度小，其摩擦力也較小，避免了磨損顆粒在工件表面上冷焊形成新生的金屬表面層，從而表明了該鋼具備良好的減磨作用。

　　第二種試驗(yàn)采用球盤磨損方式，如下圖所示，圓盤試樣由上述帽形彎曲試驗(yàn)中使用的模具制成的。其結(jié)果表明S-MAGIC鋼的摩擦系數(shù)明顯低于其他傳統(tǒng)鋼的摩擦系數(shù)。通過上述兩種摩擦磨損試驗(yàn)可以明顯看出，S-MAGIC鋼的表面擦傷情況及摩擦系數(shù)遠(yuǎn)小于其它傳統(tǒng)鋼種，從而得出結(jié)論，通過添加S、Cu等合金元素可在鋼中原位產(chǎn)生自潤(rùn)滑相，從而大大改善了鋼的抗磨損性能。

　　由下圖可以看出，對(duì)于初始摩擦系數(shù)，S-MAGIC鋼和-Al鋼(Al去除鋼)最低，-WMo鋼和-Cu鋼最高，-WMo鋼的較高值主要是因?yàn)闆]有W和Mo元素形成二次硬化導(dǎo)致較低的硬度，-Cu鋼的高摩擦系數(shù)主要是由于加S帶來的腐蝕磨損引起的，相比較而言，S和Cu添加使鋼的摩擦系數(shù)顯著降低。

　　故綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可知S可使鋼獲得優(yōu)異的可加工性，這種機(jī)制主要是S在鋼中與W、Mo結(jié)合原位自生形成細(xì)小彌散分布的MxSy金屬硫化物自潤(rùn)滑相，其晶體結(jié)構(gòu)為六方晶系結(jié)構(gòu)，易沿密排面滑移，進(jìn)行塑形變形，從而具有良好的潤(rùn)滑性能，故顯著降低摩擦副間的摩擦因子，提高抗磨損性能。另外，在金屬切削或者一定載荷接觸過程中，在摩擦產(chǎn)生高溫的接觸區(qū)S與Fe形成FeS潤(rùn)滑模層，使摩擦副之間的材料的粘附減少，進(jìn)一步降低粘著磨損。

　　第三種試驗(yàn)采用銷盤磨損方式，銷采用三種試驗(yàn)材料，一種為標(biāo)準(zhǔn)D2鋼，其余兩種分別為+Cu 8%Cr鋼、+CuAl 8%Cr鋼。由結(jié)果可知+Cu鋼和+CuAl鋼的初始摩擦系數(shù)略低于標(biāo)準(zhǔn)D2鋼。并且對(duì)于嚴(yán)重磨損臨界滑動(dòng)距離， CuAl鋼最小，+Cu鋼次之，D2鋼最大，硬度最高的+CuAl鋼有最長(zhǎng)的臨界滑動(dòng)距離，因此+CuAl鋼具有最佳的抗磨損性。

　　綜合分析上述試驗(yàn)，得出的結(jié)果幾乎一致，鋼中添加S和Cu等合金元素能使鋼的摩擦系數(shù)顯著降低，大幅度通過其自潤(rùn)滑作用大幅度提高鋼的抗磨損性能，從而提高模具服役壽命。

　　結(jié)語(yǔ)與展望

　　自潤(rùn)滑冷作模具鋼作為一種新型的高端冷作模具鋼，表面出較好的強(qiáng)韌性配比，極佳的抗磨損性能，有望解決傳統(tǒng)冷作模具磨損失效的問題，并且熱處理變形極小，模具熱處理后尺寸精度高，對(duì)于制造精密復(fù)雜高端冷沖模具極其使用，該鋼對(duì)汽車用零部件高端模具最終的國(guó)產(chǎn)化起到至關(guān)重要的作用。

　　(1)高碳高鉻自潤(rùn)滑冷作模具鋼比傳統(tǒng)冷作模具鋼具有更低的摩擦系數(shù)，更高的抗磨損性能。

　　(2)通過控制化學(xué)成分變量試驗(yàn)可知，該鋼優(yōu)異的抗磨損性能主要?dú)w因于S和Cu的添加，形成硫化物自潤(rùn)滑相。

　　(3)該鋼的抗磨損性能可以通過二次硬化析出大量的二次碳化物，較小的碳化物尺寸及較大的彌散分布程度來改善。

　　但由于自潤(rùn)滑冷作模具鋼的潤(rùn)滑機(jī)理研究仍然是一片空白，特別是S、Cu、Ni、Al等元素在鋼中所組成的相類型及含量與組織性能之間定量關(guān)系分析是以后的研究的重難點(diǎn)。