Cr-V莱氏体合金工具钢因其出色的耐磨性能而被广泛应用于冷加工领域，例如冲头、冲压模具和铣削刀具等。在这些应用中，耐磨性能是影响工具性能和使用寿命的重要材料属性。提高其耐磨性能的主要方法是改善材料的结构和硬度。这可以通过低温处理等方式实现。

材料的耐磨性提高依赖于低温处理工艺参数、材料类型和所使用的摩擦系统。例如，以-180℃处理24h后，C50R、AISIA2和AISID6工具钢的磨损率分别提高了17.5%、30%和31%。如前所述，低温处理温度对材料的磨损性能有显著影响。例如，在-80℃、-125℃和-196℃下处理的D2钢，其平均耐磨性分别比常规处理提高了28.5%、39.2%和44.5%。此外，在液氮中进行24h的低温处理后，AISID3钢的磨损性能提高了50%至70%。如果工具与软质工件接触，那么其使用寿命还取决于粘着磨损和咬合抗力。例如，Leskovsek等发现，经过低温处理（在-196℃下处理25h或40h）的粉末冶金高速钢对AISI 304奥氏体不锈钢S390的粘着和咬合抗力提高了约30%。

与高速钢不同，目前关于低温处理的冷加工工具钢（如D级材料或Cr-V钢）的抗咬合性能信息尚不完整。由于瑞典Uddeholm公司生产的Vanadis 6冷作工具钢为行业优选材料，并且它适用于材料的长期加工工具制造，而其中混合（粘性或磨料粘性）磨损是主要的失效机制。因此，本次研究的主要目的是研究和理解在干滑动条件下，Vanadis 6材料对应材料滑动的行为。迄今为止未找到使用铜合金作为对照的材料。因此，本文的主要目标是填补上述知识的空白。本篇文章侧重于进行摩擦学研究，以优化低温温度、回火温度、滑动速度和载荷，从而减少粘着磨损，并提高使用CuSn₆铜合金作为对应材料时的Cr-V莱氏体冷作工具钢的抗粘附性能。

Vanadis 6钢的成分如表1所示。在进行低温处理（CT）之前，试样在1050℃下进行奥氏体化处理30min，随后在5bar压力下用氮气进行淬火。然后，试样在最低淬火温度为-196℃、-140℃或-75℃的条件下进行低温处理，每次处理17h，之后再加热回室温进行后续的回火处理。回火处理包括两个循环，每个循环持续2h，分别在170℃或530℃的温度下进行。钢在回火处理后的微观结构呈现出典型的回火马氏体，同时伴有少量的残余奥氏体以及不同的碳化物。这些特征对于任何给定的低温处理温度而言都是相同的。在这种情况下，参考了在-196℃下的低温处理。在钢的微观结构中，识别出了三种类型的碳化物：共晶碳化物（EC）、次生碳化物（SC）和细小球状碳化物（SGC），如图1中的扫描电子显微镜（SEM）图像所示。

不同低温处理试样的微观结构在质地上没有明显的差异。然而，不同低温处理方式下微观结构的形成量存在数量上的差异。残余奥氏体的含量随着低温处理温度的降低而减少，如图2（a）所示。另外，SGC的分布密度在-140℃的低温处理后达到最大值，而-75℃或-196℃的处理产生的SGC较少。此外，这些碳化物颗粒的数量随着回火温度的升高而减少，如图2（b）所示。值得注意的是，图2（a）中所显示的残余奥氏体含量与材料在淬火前的状态相对应。然而，试验结果表明，在170℃回火后，残余奥氏体的含量并未发生变化，但在530℃回火后，材料的微观结构中完全消除了残余奥氏体。

按照ASTME384-17的标准操作程序，硬度值通过维氏硬度测试仪测定。在压痕过程中施加了98N的载荷，并对每个样本进行了至少五次测量，以估算其平均硬度。从图3中可以看出，最大硬度是通过在-140℃的低温处理后进行低温回火获得的。而最小硬度则是通过在-140℃的低温处理后进行高温回火获得的。

使用最大加载能力为10N的CSM试验机进行了盘式滑动试验。本次研究中所使用的摩擦副为Vanadis6钢作为盘体，直径为6mm的CuSn₆球作为对等体。根据Fürtauer等人的研究，所使用的CuSn₆的主要微观结构特征是α相，内部晶粒中有高密度的退火孪晶。CuSn₆对等体的硬度为74HV10，远低于所测试的工具钢。由于在这种条件下预计会有较高的材料转移，ASTMG99-17标准无法用于评估磨损性能。因此，对对等体材料附着程度的选择被选作确定Cr-V工具钢磨损性能的可靠方法。滑动试验结束后，附着程度被计算为磨损轨迹被对等体材料覆盖的百分比。这些附着率（%）的计算是在12张随机收集的磨损轨迹的SEM图像上进行的。随后，计算出平均值并将其用于后续的研究中。

使用至1200目的磨砂纸对尺寸为30mm×30mm×6mm的板状试样进行处理，然后用9μm、6μm、3μm的金刚石悬浮液进行镜面抛光。采用田口设计进行磨损测试，滑动距离达100m，加载量（1N、5N或10N）和滑动速度（0.064m·s^-1、0.128m·s^-1或0.1885m·s^-1）各不相同。试验采用四因素混合水平设计，使用L18正交阵列进行。本研究的目的是降低接触材料转移过程中的摩擦系数和附着力。因此，选择具有更优良特性的参数进行田口分析。当因素和水平较大时，田口设计是一种在有限的试验次数内进行工艺参数优化的非常流行的方法。田口设计的详细描述可在其他地方找到。用于分析的统计分析软件Minitab-19在许多工程研究领域中被广泛使用。

4.1正态检验

在完成摩擦试验并收集数据后，对平均摩擦系数和附着力进行正态性检验，并将结果展示在图4中。所计算出的p值证实了正态性的假设；在这种情况下，摩擦和附着力的p值均大于0.05，表明数据是正态分布的。

4.2摩擦系数

在图5中，展示了摩擦系数对应的SN比率的主效应图。该图显示，摩擦系数与回火温度和载荷之间存在很强的线性关系。摩擦系数随着回火温度的升高而增加。此外，在1N的载荷下，摩擦系数较高。然而，当载荷增加到5N或10N时，摩擦系数则降低。170℃的回火温度、-140℃的低温处理、0.128m·s^-1的滑动速度以及10N的正常载荷的设置是基于主效应图得出的最优参数。

此外，使用方差分析（ANOVA）测试来确定工艺因素的统计显著性及其对摩擦系数的贡献。进行了95%置信度（即p值为0.05）的方差分析测试。这意味着任何p值≤0.05的因素都是具有显著意义的。根据表2中的结果分析，负载因素具有统计学意义，其p值小于0.05，而其他因素则没有显著意义。

图6展示了摩擦计测得的最小和最大摩擦系数值对应的实际摩擦系数曲线。该曲线的形状更多地受施加的载荷及其他摩擦学条件的影响。图6中的摩擦系数曲线都包含两个阶段：磨合阶段和稳定状态。在磨合阶段，摩擦系数值首先上升至滑行距离10m处，然后逐渐下降直至达到稳定状态。在这点上需要综合考虑两个方面。首先是接触应力和接触面积，其次是附着力百分比。在较低载荷下，由于接触应力、接触面积和附着力百分比都较低，所以会发生摩擦对偶现象。然而，在10N的载荷下，接触应力、接触面积以及附着力百分比都较高，从而在磨损的轨道上形成一层与对偶材料对应的致密层，阻止了摩擦对偶现象的发生，并降低了摩擦系数。

总之，摩擦系数受外加载荷的影响远大于受所测试钢材热处理条件的影响。这很可能是因为存在更连续的润滑氧化层。然而，在较低载荷下，氧化层并非连续，从而导致摩擦副相互摩擦，摩擦值升高。Boromei等人在测试AISI D2钢与铸态铝青铜时也注意到摩擦系数存在类似的与载荷相关的趋势。在1N的测试后，附着材料表面存在不均匀的氧化层，而在10N的测试后会形成连续致密的氧化层，这一点通过样品的能谱成像图示已得到证实。

4.3对偶粘合

对所有试验中对应材料转移的平均附着力程度及其标准误差值进行了统计。附着力计算基于对12张随机选取的磨损轨迹的扫描电子显微镜图像进行的分析，并对磨损轨迹内的附着对应材料进行了评估。还使用田口分析和方差分析结果进一步探讨了对偶材料的附着力行为。

对偶材料附着力的SN比值的主要效应图如图7所示。该图表明，对偶材料的附着力与回火温度存在强烈的负线性关系；随着回火温度的升高，附着力水平降低。同样，载荷也存在强烈的正线性关系：载荷增加时附着力水平也增加。相比之下，在-75℃和-140℃的低温处理中，主要效应没有显著差异。然而，在-196℃的低温条件下进行的低温处理对对偶材料的附着力水平产生了显著的变化或线性效应。

同样地，随着滑动速度从0.064m·s^-1增加到0.128m·s^-1，附着力水平趋于上升；而当滑动速度进一步增加时，对应材料的附着力水平则会降低。总体而言，根据田口分析，530℃的回火处理、-196℃的低温处理、0.1885m·s^-1的滑动速度以及1N的正常载荷是最佳设置条件。根据方差分析结果，回火温度和载荷具有统计学意义，因为它们的p值均小于0.05。

4.4表面暴露分析

经过低温处理（-75℃）以及不同淬火处理的试件表面的微观图像表明，随着负载的增加，对偶材料的附着力也随之增强。与在170℃下淬火处理的样品相比，在530℃下淬火处理的样品的附着力大小更低。例如，对于170℃硬化处理的试件，施加5N的力时其附着力水平为90.0%，但采用高温淬火（530℃）时则降至约44%。其他载荷的施加导致对偶试件的附着力程度呈现出类似的趋势。在本研究中，有必要指出的是，随着淬火温度的升高，试样的附着力水平会降低这一现象已被普遍认可；对分别在-140℃或-196℃下处理的试件进行的测试，其结果与在75℃低温处理钢上获得的结果非常相似。

具有较低机械强度的软质材料（如CuSn₆）通常会在材料转移或咬合过程中出现问题。由于青铜材料较软且剪切强度较低，它很容易在工具表面滑动。此外，软材料的塑性损伤在接触材料的粗糙面上累积，从而导致对应试件的转移层。由于CuSn₆中不含任何硬相，因此没有发现摩擦系统的任何磨损特征。有三个关键因素可能会影响附着力水平的差异。第一个因素是载荷。随着载荷的增加，接触应力和接触面积也会相应增大，从而导致对偶材料的损失增加。例如，在正常载荷为1N、5N、10N时，赫兹接触压力的最大值分别为535MPa、915MPa、1153MPa，同时接触区域的直径也相应增加了0.06mm、0.102mm和0.129mm。这很好地解释了为什么随着载荷的增加，咬合现象会加剧。

第二个方面是残余奥氏体的含量。尽管与淬火至室温后的状态相比，残余奥氏体的含量显著降低，但通过应用低温处理，淬火或淬火后低温回火后的微观结构中仍存在一定量的这种相，如图2（a）所示。随着冷却温度的降低，残余奥氏体含量的减少可以解释附着力较低的现象，如图7所示。在530℃的回火处理中，几乎完全去除了低温处理过的钢的微观结构中的残余奥氏体。因此，随着淬火温度的升高，粘附程度会降低。

接下来要考虑的第三个因素是碳化物的分布密度对粘附性（或抗咬合性）的影响。最近的研究表明，短时间的低温处理后进行高温淬火，能够提高所测试的钢种Vanadis 6的抗咬合能力，与传统的热处理相比效果更佳。Gaard等人和Fontalv认为，碳化物含量的增加对工具钢的抗咬合性具有有利影响。然而，Fontalv也指出，存在一个最佳的碳化物含量，此时工具钢的抗咬合性达到最大值；而较低和较高的碳化物含量都会导致较差的抗咬合性。正如最近报道的那样，所有的低温处理都会增加SGC的数量。然而，-140℃和-75℃的低温处理在这方面的效果比-196℃的温度更显著，如图2（b）所示。因此，可以得出这样的结论，通过-196℃低温处理所获得的SGC值近乎是一个“最佳”值，能够使所测试的钢具有最佳的抗咬合性能。而进一步增加SGC数值（通过-140℃或-75℃的低温处理）可能会对所研究工具钢的抗咬合能力产生不利影响。这一考虑因素，再加上最低的残余奥氏体含量，可以解释-196℃低温处理和低温回火的Vandadis 6钢具有最佳的抗咬合性能的原因。

通过使用干滑动盘销-盘磨损装置，对经过不同低温处理的Cr-V工具钢与CuSn₆合金之间的摩擦学行为进行了研究。研究结果以摩擦系数、通过各种工艺实现的对接触材料的附着转移情况、以及测试设置的形式呈现，所得结果如下：

1）产生最低摩擦系数的最佳设置为：-140℃的低温处理、170℃的回火、滑动速度0.128m·s^-1以及载荷10N；

2）所施加的载荷是影响从接触材料到被测试工具钢的材料转移的最重要测试参数，且转移程度随载荷的增加而增加；

3）滑动速度对界面材料转移的影响程度有限，且相关变化规律缺乏明确性；

4）低温处理温度对被测试工具钢的抗粘附性能有较大影响，因为它会影响残余奥氏体和碳化物的数量；-196℃的低温处理应用可以最大限度地提高被测试工具钢的抗粘附性能；

5）在较高温度下进行回火比在较低温度下回火更能提高抗咬合性能；完全消除残余奥氏体可能是其原因所在。