Page 147 - 数值模拟驱动的高温合金热加工技术

第四章 高温合金锻造过程数值模拟

氮层的硬度高达 1100HV，耐磨性能最佳。TERČELJ 等利用块盘试验研究了对
模具表面进行等离子体渗氮和气体渗氮两种渗氮方法的耐磨性能。结果表明铁氮
化合物层比模具材料的化学稳定性更强，磨损首先从化合物层开裂，使其从表面

剥落。化合层越厚表示氮化程度越低，更容易从表面剥落，反之亦然。剥落区域
的凹坑加速了热铝的化学腐蚀磨损。BJÖRK 等采用气体渗氮和复合涂层两种技
术对 H13 挤压模进行表面渗氮。其中复合涂层技术 H13 钢先离子氮化处理再进
行 PVD 沉积 CrN 涂层。结果表明模具钢采用复合涂层后使用寿命是气体渗氮的
5 倍以上。大量细小的 CrN 晶粒提高了模具钢的耐磨和耐腐蚀性。龚刚等对 H13

挤压模具钢在 540~560℃离子渗氮 8h 后再在 550℃下低温盐浴复合渗铬 6h，复
合渗铬层主要是由 CrN、Cr 2 N 组成，CrN 化合物层平均深度为 5μm，硬度可达
1450~1550HV，耐腐蚀性也比离子渗氮好。张春华等采用高能束激光熔凝处理，

在 H13 模具钢表面获得激光熔凝层，在不改变模具钢表面成分的条件下，实现
钢基表面的“自强化”，使模具的耐腐蚀性提高，自腐蚀电位正移，维钝电流明
显减小。同时还在 H13 钢表面制备 Si 3 N 4 改性 NiFeBSi 合金熔覆层，熔覆层与基
体 H13 钢呈良好的冶金结合，组织细密、无孔隙。陈慧敏等采用真空粉末烧结

法在 H13 模具钢表面获得了深度为 1~3mm 的三元硼化物（Mo 2 FeB 2 ）基金属陶
瓷覆层，覆层和钢基体通过 Fe、B、Cr、Ni 等相互扩散渗透牢固结合，硬度达
到 1200HV，使钢表面耐磨性能大幅度提高。
表面化学热处理工艺中，普通渗氮应用最为广泛，成本低，可靠性高；与普

通渗氮相比，多元共渗和复合处理的效果最好，渗层比较深；离子注入可提高表
面硬度又不会降低结合力，可注入多种元素，使模具钢的耐磨性、抗腐蚀性大幅
度提高；激光表面改性技术快速，变形极小，且显著细化晶粒，但该工艺影响因
素较多，生产设备昂贵，成本高。另外，粉末烧结、涂层等技术也可应用于模具

钢的表面强化，但工业应用较少。
（三）热挤压过程中界面摩擦边界条件的定量表征
数值仿真已成为挤压工艺优化的重要手段。而摩擦是影响挤压数值仿真精准
度的一个重要的边界条件。国内外学者对摩擦的另一个研究热点主要集中于如何

表征挤压接触界面的摩擦边界条件。在实际挤压过程中，摩擦是与材料热变形条
件密切相关的一个变量，接触界面存在相对滑移，且在高温、高压和高应变速率
下还伴随严重的表面扩张和温升效应。因此，为得到更精确的仿真结果，选择合

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