第一章 绪论
1.1 热作模具钢
模具钢服役条件极其复杂和恶劣，工作温度较高，工作过程反复受热和冷却，冷热交替引起很大的热应力产生龟裂，即热疲劳裂纹；同时承受较大的压力和摩擦力以及磨粒磨损、粘着磨损和其它夹杂物的磨损等。因此，对热作模具要求具有高的硬度、强度、耐磨性、红硬性，足够的韧性，良好的高温强度、热疲劳性能以及高淬透性、淬硬性和其他工艺性能。热作模具的失效部位主要在工作面或源于次表面发生（如各类磨损、疲劳断裂等），且与模具表面的力学性能有密切关系。表面强化技术就是通过改变模具表层成分，组织或在表面沉积镀层，显著提高模具的硬度、耐磨性、耐热性、耐腐蚀性、抗熔性、抗咬合性，从而使每副模具表面与心部性能达到最佳匹配，实现模具极限寿命。目前改善材料表面特性的强化方法主要有不改变表面化学成分的方法、改变表面化学成分的方法及表面形成覆盖层三类，随着模具热处理新设备的出现，模具表面强化新技术新工艺也迅速发展并不断完善传统工艺和方法。
1.1.2 热作模具钢的分类
热作模具钢主要用于制造金属材料热成形用的模具材料，用量最大的为三类通用型热作模具钢，即低合金热作模具钢，代表性钢号 5CrNiMo 和 5CrMnMo，中合金热作模具钢，代表性钢号为 H13 (4Cr5MoSiV1), H11 (4Cr5MoSiV), H12 (4Cr5MoWSiV), H10(4Cr3Mo3SiV)；高合金热作模具钢，应用最广的钢号为 H21 (相当于 3Cr2W8V)。为适应一些热作模具的特殊要求，研制了一些新型高性能热作模具钢，主要有以下几种：
(1) 基体钢。基体钢的化学成分相当于淬火后的高速钢基体组织的成分，所以淬火后残留的共晶碳化物数量很少，回火后碳化物细小，弥散分布，钢的强韧性和热疲劳性能好，如美国的 65Nb, O12Al 等
(2) 低碳高速钢。低碳高速钢是通过将高速钢的碳含量降至 0.3% ~ 0.6%而得到，这样可以减少其共晶碳化物的数量，既保持较高的红硬性，又改善钢的韧性和热疲劳性能，如美国的 H25, H26, H42。
(3) 高温热作模具钢。对于马氏体为基体的热作模具钢，当工作温度超过 700℃时，其高温强度急剧下降，使模具磨损、变形而早期失效。为此，近 20 年来，国内外相继开发了以奥氏体为基体组织的 CrMn 系和 CrMnNi 系热作模具钢，加入钒、钨、钼等合金元素，通过时效硬化提高钢的强度、硬度和耐磨性，以适应工作温度为 700~800℃热作模具钢的要求；但是这类钢的导热性差、线（膨）胀系数大、热疲劳性差，不宜制作激冷激热条件下工作的高温模具，如日本的 5Mn15Cr10V2, 5Mn15Ni5Cr8Mo2V 等。
(4) 高温耐蚀模具钢。为了改善模具在高温下抗液态金属及其他介质的冲蚀和抗高温氧化能力，针对压铸模具和压制玻璃制品的模具，发展了高温耐蚀模具钢，如原苏联用于制造铜合金压铸模具的 18C12BMЪFR钢，日本三菱制钢公司开发的用于制造玻璃成形模具 3Cr13MoV 钢等。
(5) 高淬透性热作模具钢。为了适应特大型锻模模块用钢的需要，在 5CrNiMoV 钢的基础上增加 Ni、Cr、Mo 等合金元素的含量，改善钢的淬透性，热强性和韧性，如ISO4975 标准中的 40NiCrMoV4 (4Ni4Cr2MoV)，法国 NF-35-590 标准中的 40NCD16(4Ni4Cr2Mo)等。
(6) 中合金高强韧性热作模具钢。这类钢能够比较合理地使用合金元素，降低了产品的生产成本，因此近几年发展较快。如在 H13 钢的基础上降低铬含量、提高钒含量，发展以 MC 型碳化物为主要强化相的钢种，代表性的钢号如瑞典的 QRO80, QRO90M。
虽然高合金热作模具钢具有较高的热稳定性和抗热疲劳性能，但在高速、重载荷模锻作业时，仍出现表面温度过高，抗热磨损性能差，等关键问题，使模具寿命很短。因而，对高速、重载荷热锻模具表面进行强化仍然是提高模具寿命的关键。通过渗铬、含铬多元共渗等金属渗是既能提高表面硬度，又能提高表面高温力学性能的有效方法。
第二章 HM1 热作模具钢低温渗碳以及渗铬工艺研究
2.1 实验材料及成分分析
本次实验采用的基体材料为 HM1 (3Cr3Mo3W2V)热作模具钢，其冷加工、热加工性能良好，淬回火温度范围较宽；具有较高的热强性、热疲劳性能，又具有良好的耐磨性和抗回火稳定性等。适宜制造镦锻、压力机铸造等热做模具，模具使用寿命较高。HM1 (3Cr3Mo3W2V)是由我国自主创新的新型热作模具钢，是在 3Cr3Mo3V 及3Cr3Mo3Co3V 钢的基础上调整钢的成分，用低量的钨(2%)取代了价格贵的镍钴等元素，并采用了新的冶炼及综合技术，具有比 3Cr2W8V, 5CrNiMoV 等钢更优异的综合性能，表 2-1 为化学成分，其临界点如表 2-2 所示。
自85年以来HM1逐渐代替部分热作模具材料，其所采用的冶炼工艺有较大的节能、省时、减少氧化脱炭损耗和提高钢的强韧性的效果，其较突出的优点是具有较高的室温和高温冲击韧性，优良的冷热疲劳性能及抗回火稳定性，适用于制造工艺条件苛刻、大批量、自动化条件下使用的辊锻模、徽锻模、有色金属压铸模、热挤模等。
第三章 HM1 热作模具钢的低温渗................ 41-56
3.1 引言.............. 41
3.2 试验方法.............. 41-43
3.3 试验结果与分析.............. 43-55
3.4 本章小结.............. 55-56
第四章HM1 固体粉末渗铬 ..............56-83
4.1 引言.............. 56
4.2 HM1 钢的铬锰、铬镍多元共渗.............. 56-69
4.2.1 实验方法.............. 56-58
4.2.2 金相显微分析.............. 58-61
4.2.3 x-射线衍射分析.............. 61-64
4.2.4 EPMA 成分分析 ..............64-69
4.3 HM1 钢渗铬的研究 ..............69-82
4.3.1 材料和实验方法.............. 69-70
4.3.2 金相组织分析.............. 70-75
4.3.3 x-射线衍射分析.............. 75-78
4.3.4 成分分析.............. 78-82
4.4 本章小结.............. 82-83
结论
（1）在低于奥氏体化温度下成功实现 HM1 钢表面渗碳，温度越高，其渗碳层厚度越厚，780℃是低温渗碳适宜的温度，而当温度低于 760℃时，低温渗碳将较难获得有效地渗碳层，渗碳后进行淬火+回火热处理，渗碳层厚度达 1mm，硬度达 HRC60~63，得到回火马氏体、回火索氏体、残余奥氏体和大量弥散分布的碳化物构成的渗碳层组织，回火稳定性和红硬性均大大提高；
（2）HM1 钢低温渗碳时，煤油作为渗碳剂，大大提高了渗碳气氛的碳势，是表面渗碳层网状碳化物形成的主要原因，只用甲醇作为渗碳剂，能较好的控制渗碳气氛的碳势，达到所需求的渗层质量；
（3）渗铬剂中添加微量的 Mn 元素或者 Ni 元素，并不能有效降低渗铬层的韧性，反而会起到相反的作用；
（4）微量稀土添加入渗剂中，1080℃下渗铬 6 小时，可使渗层厚度从不添加稀土的约 20~25μm，达到厚度 40~55μm，并且渗层过渡自然平缓，没有明显的两相分界线。添加稀土，有利于降低渗层的脆性，避免渗铬层因脆性过大而出现剥落现象；
（5）渗铬会造成表面出现一定厚度的贫碳层，其贫碳层主要由铁素体构成。而对HM1 钢经过预渗碳处理后，贫碳层消失，由大量的颗粒状合金碳化物弥散分布在原来的贫碳层区域，对渗铬层的支撑起到了有效作用；
参考文献
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