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模具工业在现代制造业中占有很重要的地位,50%的精加工产品及75%的粗加工产品都要用模具进行制造,模具费用在零件生产中所占成本比例较高,通常为40%左右,而模具失效形式中80%为表面损伤,因此表面改性技术在现代制造业中具有良好的前景。随着工业的发展,模具的工作环境越来越恶劣,模具材料的高温氧化性能及热疲劳性能决定着其模具在高温环境下的使用寿命。高温氧化是高温环境下最常见也是最重要的腐蚀破坏形式,而热疲劳性能决定着模具表面是否在热循环作用下产生微裂纹,从而诱发模具的失效。本文拟通过电子束表面合金化这一新兴的表面改性技术,在模具材料表面进行合金化,在不损失材料的表面性能同时,探讨电子束表面合金化对模具材料的高温性能的影响,为实际模具工业中模具高温性能的强化奠定理论基础。本文通过ANSYS 12.0有限元软件对3Cr2W8V表面合金化Al的过程进行热应力耦合场模拟分析,并采用俄罗斯强流电子研究所研发的电子束设备对热作模具钢3Cr2W8V表面进行电子束直接照射和电子束表面合金化处理,合金元素分别为Al、Ti、TiN,对模具材料40Cr表面进行电子束表面处理和电子束表面合金化Al元素。结合理论模拟和实验总结了: 1)有限元模拟电子束合金化的过程;2)电子束表面合金化对材料力学性能的影响;3)电子束表面合金化对模具材料高温性能的影响。实验结果表明:1)样品经电子束照射后表面会发生重熔并产生熔坑形貌,对表面粗糙度不同的样品的影响也不相同;经电子束照射后的样品表面硬度及耐磨性能相对于原始样品均有一定提高。2)氧化动力学曲线显示经电子束合金化处理样品的高温氧化性能得到明显提高,而电子束直接照射样品的高温氧化性能并未得到改善。通过形貌与能谱分析,3Cr2W8V电子束合金化Al样品的氧化膜及合金层的强度及阻氧性均优于原始样品及电子束直接照射样品。3)经电子束照射后样品的热疲劳性能明显下降,本文从粗糙度、表面残余应力及表面形貌三个角度对该现象进行探讨,并对传统实验方案提出改进。