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热作模具钢广泛应用于钢铁和冶金行业。通过表面机械研磨处理(SMAT),在热作模具钢上制备一个纳米结构表层,具有十分重要的意义。一方面,对这种含有大量第二相粒子的钢铁材料的微观结构演化规律的研究有利于揭示双相或多相金属材料在严重塑性变形过程中的晶粒细化机制；另一方面,利用纳米结构表层中显著提高的扩散和化合反应性能可大幅度降低表面化学热处理的温度和缩短处理时间,有利于优化其表面改性工艺,提高使役性能。
本工作对工业上广泛应用的一种热作模具钢(H13钢)进行SMAT处理,采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)系统研究了H13钢在SMAT过程中的表层微观结构演化特征和晶粒纳米化机制,详细研究了SMAT样品的低温渗铬和复合渗铬特性,并采用纳米压痕仪和摩擦磨损试验机研究了经复合渗铬处理的SMAT样品表层的显微硬度和摩擦磨损性能。主要研究结果如下:
1.经SMAT处理后,H13钢样品表层形成厚约20μm的纳米晶层,铁素体晶粒尺寸随层深的增大而增大,在最表层为～10 nm,其明显的晶粒长大温度约为600℃。
2.H13钢中铁素体基体的晶粒细化由位错活动主导,随层深的减小(即应变量和应变速率的增大),细化过程如下:应变量较小时,铁素体晶粒内形成胞状结构并逐渐转变为亚晶粒；随着应变量的增大,形成片层状结构,其厚度不断减小并相互交割,片层间取向差增大；在大应变量、高应变速率以及多方向载荷的共同作用下,最终在样品表层形成取向随机的等轴纳米晶。
3.H13钢SMAT过程中合金碳化物((Cr,Fe)23C6和(Cr,Fe)7C3相)内部明显的位错行为出现在表层20μm深度范围内,此时铁素体晶粒尺寸细化至100 nm以下。大量存在的碳化物粒子加速了SMAT过程中铁素体基体的晶粒细化和纳米化过程；与碳钢中的渗碳体相比,H13钢中硬度较高的合金碳化物对表层20μm范围内铁素体基体纳米化的促进作用较弱。
4.低温(500-700℃)渗铬实验表明,SMAT显著促进了H13钢表层中Cr的扩散和Cr-N化合物相的形成。SMAT样品经过500℃渗铬120 min后生成约0.8μm的渗层,而粗晶样品经过700℃渗铬120 min后仍未生成渗层。SMAT样品上生成的渗层厚度随温度的升高呈现先增加后减小的趋势,在600℃达到极大值～5.2μm。
5.经在低温和高温(950-1050℃)的复合渗铬处理后,SMATH13钢上生成一定厚度的连续渗层,与经相同渗铬处理的粗晶样品相比,渗层厚度显著增大。复合渗铬处理使SMAT样品渗层厚度显著增大的主要因为在于:低温渗铬过程中大量细小而弥散分布的化合物相的生成提高了纳米结构表层的热稳定性,从而显著加速了高温渗铬处理时合金元素的扩散和连续化合物层的形成。
6.经600℃处理120 min及1050℃处理240 min的复合渗铬处理后,SMAT样品上形成厚约30μm的连续渗层,是经相同复合渗铬处理的粗晶样品上渗层厚度的3倍。与复合渗铬粗晶样品相比,复合渗铬SMAT样品表层具有较小的晶粒尺寸、较高的Cr浓度和硬度,其结构、成分和硬度在更大的深度范围内存在较为缓慢的梯度变化,从而导致其耐磨性显著提高。