第一章绪论
在压铸产业中，模具、热作件等直接接触高温高压的液体合金，制作费用昂贵。因而，压铸模具、热作件所用的热作模具钢一直是各国非常重视的研究对象。镁合金化学性质活泼，其生产工艺不同于Al、Zn等压铸合金，在生产过程中要求有保护气体，而且工作温度高，对熔炉柑锅、热作件的侵蚀性更强，对这些零部件的材质有更高的要求。
由于加工金属的成分和加工工艺条件不同，对热作模具钢提出了各种不同的性能要求。需要根据模具的实际工作条件，选用不同特性的模具钢。对热作模具钢应主要考虑以下的特性:
1、在使用温度下的硬度和强度.要求在服役温度下，模具仍保持一定的硬度和强度，并且具有良好的热稳定性，防止模具变形。
2、较高的韧性。很多热作模具，特别是锻锤模具，在工作过程中经常要承受较高的冲击载荷，为了防止模具开裂和防止裂纹扩展造成灾难性的事故，要求这种热作模具钢必须具有较高的冲击韧性和断裂韧性。
3、耐急冷急热性(抗热疲劳性、抗热裂性)。很多热作模具钢都是在周期性的温度急剧变化下服役，在模具表面产生应力，为了防止模具表面产生热疲劳裂纹，要求模具钢具有良好的耐急冷急热性。
4、化学稳定性。热作模具往往在较高的温度下工作，和空气、液态金属或其他介质接触，要求模具钢在工作温度下具有优异的抗氧化性能或抗液态金属冲蚀性能等。
5、较好的工艺性。为了便于制造模具，要求热作模具钢具有良好的可锻性、可切削性、可磨削性、可焊性和减小热处理变形性能。
1.1热作模具钢的发展
1.1.1传统的热作模具钢
我国早期常用的热作模具钢有SCrN M。、SCI，NIMO和3CrZW8v钢。SCrM五M游冈用做中小型锻模;SCrNIM砖冈主要用做大中型锻模，其淬火后的综合力学性能较高，工作温度达300℃左右时，屈服强度仍保持在800-1000MPa左右，但继续提高温度时，钢的强度急剧下降，当制造截面尺寸大于300mm的模具时，由于钢的淬透性较低，心部淬火冷却速度不足，心部淬火组织会出现中温转变产物上贝氏体组织。在回火过程中沿a晶粒边界析出的碳化物颗粒会迅速聚集长大，导致硬度显著下降，使钢的强度和热稳定性显著降低，因此SCrNIMO钢不宜用于制造大型的、复杂的和工作温度较高的重载荷模具。CrZWSV钢是钨系热作模具钢，广泛用做黑色和有色金属热挤压模和Cu、AI合金的压铸模。其热稳定性高，使用温度达650℃，但导热性低、冷热疲劳性差。SCrNIMoV钢是西方国家广泛应用的模具钢，与SCrNIMo钢相比，Cr、Mn、Mo元素含量较高，并加入少量V(0.10%-0.2%)，其淬透性、淬硬性比SCrNIMo钢显著改善。当温度为S000C时，SCrNOV钢的高温强度较SCrN洞成冈高100-150MPa左右，其抗回火稳定性比SCrN汉成冈高100OC左右，由于SCrNoV钢中V的作用，使钢的晶粒细化，所以在相同的回火硬度下，具有比SCrNIMO钢更高的韧性。为了适应特大型模具的需要，国内外发展了合金含量更高的特大型模具用钢，如国际标准化协会1504957中的4Ni4CrZMoV、法国NF35-590标准中的4Ni4CrZMo、前苏联研制的30crZN、27CrZNIMOWV等，这些钢种的合金元素含量较高，具有更高的淬透性和热稳定性;并且相应地将钢中的C含量降低到0.3%-0.4%，使钢的韧性和抗热疲劳性能有所改善。各国常用模具钢的化学成分见表l。
1.1.2新型热作模具钢
1.1.2.1国内研制的新型热作模具钢
HMI钢(4Cr3Mo3WZV)和HM3钢(3Cr3Mo3VNb)是结合我国资源条件研制而成的钢种。这两种钢突出的优点是具有较高的室温和高温冲击韧性和优良的抗冷热疲劳性能，适用于制造在高温、高速、高载荷条件下工作因断裂或热疲劳失效的热作模具。4Cr3Mo3W4VT汹b含有较高的w和少量的Ti和Nb，具有较高的热强性和热稳定性以及良好的抗热疲劳性，适用于制造温度较高，与工件接触时间长，容易引起热变形塌陷或热磨损失效的模具。SCr4Mo3SIMnVAI和6Cr4Mo3N论认甲属于基体钢，这两种钢含C量高，热疲劳性能较差，突出的优点是有高的硬度、强度以及耐磨性，可冷热兼用，可取代CriZ型钢和高速钢用以制造要求高强韧性的冷墩、冷冲和冷挤模具。
第二章H13钢表面溅射Cr膜后的结构
2.1引言
使用性能是材料研究的出发点和目标，影响材料使用性能的因素有:组织结构、缺陷、成分、环境等，而成分和组织结构是影响材料各种性能的直接因素。本章采用X-射线衍射仪(D/max-3C)、光学显微镜(Axiovert25CA)、场发射扫描电子显微镜(JSM-6700F)、能谱仪(TN- 5400)和原子力显微镜(SPA300HV)对不同前期处理的H13钢基体组织及表面溅射膜层的样品进行表面和截面微观组织形貌特征观察，并对膜层的晶粒类型和生长机制作了初步研究。
2.2实验方法
2.2.1样品的制备
本实验采用4Cr5MosiVI(H13)钢，化学成分(质量分数wt%)如表2-l所示，H13钢经调质(1080℃油淬十580℃回火)处理后，组织为回火索氏体，平均硬度为48HRC。试样用线切割为50x25ox250mln，，在碳氮共渗和离子氮化处理前，试样表面用sic水砂纸研磨，抛光，并在丙酮溶液中进行超声波(KQ2200DB)清洗后在酒精中超声波清洗，随后分别在580℃和550℃用LD215型离子渗氮炉进行离子渗氮4h和碳氮共渗9h，碳氮共渗后的试样去除表面不连续的化合物层，然后在处理后(离子渗氮或碳氮共渗)的试样表面进行直流磁控溅射Cr膜，溅射参数为:溅射气体为Ar气，溅射前的残余压强为1.3xlo-SPa，工作压强为0.14Pa，偏压为-100v，靶基距离为12omm，温度为200℃，溅射时间为2小时。试样处理工艺编号如表2-2所示。
第三章 H13钢表面溅射Cr膜的结合强度......................... 37-47
3.1 引言 ......................37
3.2 实验方法...................... 37-38
3.3 实验原理...................... 38-40
3.4 实验结果与讨论 ......................40-45
3.4.1 结合力与划痕形貌...................... 40-43
3.4.2 结果与讨论 ......................43-45
3.5 本章小结 ......................45-47
第四章 H13钢表面溅射Cr膜后的热疲劳...................... 47-56
4.1 引言 ......................47
4.2 实验方法...................... 47-48
4.3 实验结果与讨论 ......................48-55
4.3.1 微观形貌 ......................48-49
4.3.2 显微硬度 ......................49-50
4.3.3 抗热疲劳性能 ......................50-55
4.5 本章小结...................... 55-56
第五章 H13钢表面Cr膜的抗氧化性 ......................56-65
5.1 引言 ......................56
5.2 实验方法 ......................56-57
5.3 实验原理 ......................57-58
5.3.1 氧化的自由能判据...................... 57
5.3.2 氧化膜的完整性 ......................57-58
5.4 结果与讨论 ......................58-64
5.5 本章小结 ......................64-65
结论
1.离子氮化H13钢的化合物层决定了其表面通过异结构外延生长的膜层，致密度较差，膜层表面存在线状沟槽;碳氮共渗H13钢的渗层决定了其表面通过异结构外延生长的膜层，结构致密，结合较好，表面起伏较小;调质处理的H13钢通过同结构外延生长的膜层，存在微观缩孔等缺陷，界面结合处有少量缺陷，膜层表面存在网状沟槽。
2.H13钢表面溅射的膜层均有较好的结合强度。碳氮共渗H13钢的渗层使膜层致密、结合较好、表面起伏较小，具有最好的结合强度;H13钢经调质、离子氮化处理后表面组织结构导致膜层结合强度相对较低。
3.在700℃温度下，碳氮共渗的H13钢，渗层硬度适中、韧性较好，有较好的抗热疲劳性能;碳氮共渗后溅射Cr膜层的H13钢，基体与膜层之间存在较大的硬度梯度，且膜层抗塑性变形能力较小;离子氮化的H13钢，化合物层硬而脆;离子氮化后溅射Cr膜层的H13钢，化合物层硬而脆、膜层抗塑性变形能力较小、基体与膜层之间存在较大的硬度梯度以及存在热膨胀性能等的差异，均表现出较差的抗热疲劳性能。
4.在700℃氧化过程中，碳氮共渗后溅射膜层，渗层能有效地阻碍C原子的扩散，形成的是连续的、较致密的，保护性氧化膜;调质处理、离子氮化后溅射膜层，基体/化合物层中的C朋原子扩散入膜层中，导致形成的氧化膜是一种非保护性氧化膜，加剧了膜层的氧化。
5.离子氮化、碳氮共渗及调质后溅射膜层，在高温氧化后膜层表面硬度表现极大的差异性:碳氮共渗后溅射膜层，原子的扩散产生了固溶强化，致使膜层硬度有较大升高;离子氮化及调质后溅射的膜层在高温氧化后膜层已经破裂，表面硬度较氧化前有较大降低。
参考文献
1徐进等编著，模具钢[M]，北京:冶金工业出版社，1998，10:19-20
2朱副顺，王鹏程，郭胜利.模具材料及其发展概况[J].内蒙古石油化工，2005，7:20
3崔富.国内外模具用钢发展概况[J].金属热处理，2007，32(l):1-6
4潘应君，吴新杰，张细菊等.H13模具钢离子渗氮层的组织与性能[J].金属热处理，2003，28(5):39
5楼芬丽，张开，章建华等.H13钢的表面处理技术[J].金属热处理，2002，27(6):28
6王智祥，张建新.影响铝挤压模具寿命的因素分析[J].模具工业，2003(2):4
7彭文屹，吴晓春，阂永安等.H13钢铝合金压铸模的离子氮化[J].表面技术，2002，31(3):14
8邓汝荣，郭海涛.铝型材挤压模的气体软氮化工艺[J].铝加工，1998，21(2):2
9王桂堂，刘湘杰.H13模具钢低温盐浴碳氮钒共渗工艺[J].模具工业，1998，211(9):44
10卢金生，陈秀玉，顾敏.模具钢离子O-S-N共渗研究[J].金属热处理，1994，19(2)