摘要
热作模具通常应用于急冷、急热及高交变应力等环境，在交变温度和交变应力的作用下，由于材料表面性能不足，热作模具在使用过程中常常会出现开裂、擦伤、疲劳、腐蚀等早期失效形式。表面改性是提高模具表面性能，防止模具出现早期失效最为有效的措施。渗氮作为典型的表面强化技术，可以显著改善材料表面的硬度、耐磨性和耐蚀性。然而，采用单一渗氮处理获得的渗层较薄，渗层与基体之间存在较大的硬度梯度，导致对磨过程中材料很容易开裂和磨损。提高渗氮温度和延长渗氮时间虽然能够增加渗层厚度，降低渗层与基体之间的硬度梯度，但容易导致脆性εFe2-3N相在渗层中的占比增加。ε相的增加将会导致模具在冷热循环过程中受到的热冲击应力增大，增加疲劳裂纹萌生和扩展的机会。此外，提高渗氮温度或延长渗氮时间还会造成工件表面贫铬现象，导致其耐蚀性降低，从而显著降低材料的综合性能。激光淬火作为一种清洁方便的表面处理方法，因其特殊的加热和冷却方式被广泛应用于材料表面改性处理。激光淬火工艺比离子渗氮更容易获得较大的硬化层深度。同时激光淬火可以促进材料表面形成大量空位、位错和孪晶等晶体缺陷，加快N原子的动力学扩散过程。但和渗氮相比激光淬火层的硬度相对较低，耐磨性严重不足。因此，如何使用复合改性技术改善单一工艺性能的不足，提高材料的综合性能，是本课题重点研究的内容。 H13钢因其具有较高的淬透性、韧性和热疲劳性能，广泛应用于热作模具行业。本文以H13钢为研究对象，将激光淬火与离子渗氮表面改性技术相结合，探讨了复合处理对H13钢综合性能的影响过程及影响机理。揭示了激光淬火与离子渗氮技术对H13钢改性层的耦合作用机制及强化机理，通过复合处理的方式改善H13钢表面特性，进而提升模具的性能。研究表明，复合处理工艺可以显著改善改性层的综合性能。和单一激光淬火和单一渗氮处理相比，复合处理后改性层的厚度和耐磨性显著增加，硬度梯度明显降低。和常规处理以及单一激光淬火相比，复合处理后改性层的耐蚀性明显改善，电极电位明显增加。当渗氮温度为440℃时，单一氮化样品表层形成了以α’N-Fe为主的扩散层，而经激光淬火后再进行氮化处理时，由于激光淬火导致的位错和细晶作用，N原子扩散通道增加，氮的固溶强化作用显著增强。且经较低温度下复合处理后试样表面的耐蚀性较常规处理以及激光淬火和单一渗氮处理明显提升。当渗氮温度升高至540℃时，经复合处理的试样，化合物层中脆性ε减少，韧性γ''-Fe4N增加，表明复合处理能够抑制ε并促进γ''的形成。和高温复合处理相比，低温复合处理后试样表层硬度、芯部硬度和有效硬化层深度显著增加，改性层H和H3/E2更大，抗磨损性能和抗塑性变形能力更好。
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