热作模具钢（h13型）表面处理及其热疲劳、热熔损性能研究

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1、摘要采用表面处理、表面改性技术，提高热作模具相关的服役性能。这是当前热作模具研究、应用领域中最热门的方向之一。针对热作模具钢的表面氧化处理，本文开发了一种带蒸汽预热装置的氧化处理炉，这种炉型现己应用于工业生产。该炉型的蒸汽盘箱管、蒸汽室等各种结构设计使蒸汽能充分预热、并稳定地通入氧化炉中，保证了模具钢氧化工艺顺利实施，及设备的可靠性、安全性。试图将蒸汽氧化和气体氮化结合在单一的热处理炉中的尝试并没有成功。因此，本文中的氧化试样主要在专门设计的氧化炉中进行，氮化则是在等离予渗氮炉中进行。结合热力学计算和具

2、体试验研究了H13钢的表面氧化行为。采用Thermal—Calc软件计算了500。C至700℃温度范围内不同氧分压条件下H13表面形成的氧化物物相组成及其变化。在上述温度范围内，试验研究了H13钢分别在0．2MPa蒸汽流、O．1MPa的空气、0,001MPa的低压空气条件下的氧化膜组织。发现低压空气条件下形成的氧化膜的微观组织和物相更接近蒸汽条件下形成的氧化膜，而与常压空气下形成的氧化膜有明显差异。热力学计算表明，高氧分压有助于Fe203相的生成，而低氧分压有助于Me30。相的生成。高氧分压下完整的致密

3、Fe203层的快速形成将阻碍各种原子的向内扩散，从而抑制Me304相的生成。因此，在适当的低氧条件下H13钢的氧化显著快于空气条件下的氧化。除了适当的氧分压，H13钢在蒸汽条件中的氧化机制更为复杂，还与氧离子的短程扩散有关。计算表明，同Fe203和Fe30。相一样，尖晶石相FeCr204，FeV204，Fe2Si04也是H13钢氧化膜的主要组成相。蒸汽氧化和等离子氮化复合试验和研究表明，H13钢的表面预氧化无助于随后的等离子氮化。等离子氮化过程中，蒸汽氧化膜将逐步减薄、直到消失后氮才开始渗入。等离子渗氮

4、将使H13钢在随后蒸汽氧化中的氧化速度显著增加，这要归因于等离子的轰击活化作用和由此引起蒸汽条件下氧的快速扩散。试验发现，等离子渗氮形成的氮化物层，在随后的氧化过程中将逐步转变为氧化物，这将减小热作模具服役过程中的热裂纹形成倾向。因此等离子氮化及氧化复合工艺，对那些既要求高强度抵抗塑性变形、又要求高韧性抵抗热疲劳的热作模具将是合理的选择，该工艺在重载锻模上的应用相当成功。根据Uddeholm方法，采用自约束试样，研究了不同表面处理H13钢试样在室温至700。C热循环温度范围内的热疲劳性能。表面处理工艺包

5、括等离子氮化、等离子硫氮碳共渗，渗硼和氧化等。研究表明，热循环过程中的应力变化对热疲劳裂纹萌生和发展起到至关重要的影响。热循环过程中，表面无硬化膜的H13钢试样的残余压应力的减小是缓慢的，并倾向于形成均匀分布的微裂纹；而表面有硬化膜的H13钢试样的高残余压应力的降低速度很快。通常，由表面化合物层上的热裂纹引起的应力的不均匀分布，将是主裂纹扩展的重要因素。经优化的氮扩散层由于提高了强度、控制了韧性的下降，从而赋予H13钢更好的热疲劳性能。未发现单一氧化处理对H13钢的热疲劳性能有明显影响。分别采用静态静置

6、、动态旋转的热浸熔融ADCl2铝合金熔液的方法，对表面经蒸汽氧化和未氧化的H13钢试样的热熔损抗力进行了对比研究。采用失重法研究了熔液温度、热浸时间、试样表面状态的影响。H13钢熔损试样上包覆的Fe—A1金属间化合物外侧的化合物、铝合金组成的复合层的厚度对H13钢的熔损有重要影响。熔液温度的下降，或热浸时间的延长将导致复合层的增厚，而减缓铝元素的扩散，从而降低熔损速度。动态旋转试验中，铝合金熔液的相对快速运动将加快侵蚀作用并减薄复合层厚度，导致快速熔损。同PVD陶瓷涂层一样，H13钢试样表面的氧化膜同样

7、通过隔离作用减缓熔损。当氧化膜被熔融铝合金润湿、消耗后，其功能就丧失了。关键词：热作模具钢；表面处理；氧化；热疲劳；熔损UAbstractTheinnovationofsurfacetreamaenttoincreasetheassociatedperformanceofhotworkdiesisoneofthemostinterestingsubjectsinlaboratoriesandfactories．Afurnacewitllpreheatingequipmentforwatervaporis

8、developedforSLlrfaceoxidationtreamaentofhotworkdies．Thistypefurnaceissuccessfullyusedinindustry．Thestructuraldesignincludingloop-pipe、streamchamberresultsinthesufficientpreheatingofwatervaporandthensteadyfeedingintooxidati