Dievar模具钢是由以前的瑞典乌德侯姆钢厂专门开发的一种Cr-Mo-V系合金钢,具有优异的热强度和良好的韧性,主要用作热作模具钢,它被广泛应用于汽车、电子、航空制造、核电设备、石油化工、海洋平台装备制造等对材料性能要求较高的领域。热作模具钢在服役过程中,一般失效的位置都始于表面,当两工件间产生滑移运动时会存在摩擦或划伤,严重时会使得工件出现磨损失效问题。另外,热作模具钢在冷热交替循环的环境中工作,也容易产生热疲劳失效问题。因此,在提高热作模具钢摩擦磨损性能的同时也需要提高其热疲劳性能。本课题对Dievar模具钢进行了超声表面滚压处理(Ultrasonic Surface Rolling Processing,USRP),在材料表面制备了一定厚度的梯度纳米改性功能层。随后,在经过超声表面滚压处理后的试样和未经任何处理的试样表面进行高能离子注渗(High Energy Ion Implantation,HEII)碳化钨的工艺处理,制备出高能离子注渗碳化钨层,并通过对表面功能层的微观组织结构、化学成分、硬度、摩擦磨损性能以及热疲劳性能等的研究,分析表面纳米化对于高能离子注渗碳化钨层性能的影响。研究表明,经超声表面滚压处理后,在材料表面形成了厚度约为60μm的梯度纳米结构表层。经表面纳米化处理后,试样的硬度由200 HV提高到了301 HV,硬度提高了约50%。材料在进行超声表面滚压时表面承受循环交变载荷的作用,在沿垂直于表面方向上晶粒细化程度不同,同时产生了大量的非平衡缺陷,高密度的非平衡缺陷可使表面活性提高,增强表面对活性离子或者活性原子的吸附力,并且晶粒细化所产生的大量晶界使原子快速扩散的通道增多。这些特性都表明超声表面滚压对高能离子注渗有促进作用。与采用HEII工艺处理试样相比,经过USRP+HEII工艺处理的试样的梯度纳米结构表层明显增强了高能离子注渗的效果。相对于HEII工艺处理的试样,USRP+HEII处理的试样的表面组织更加致密均匀,USRP+HEII处理试样最表层的硬度达到944.9 HV,分别较基体硬度和HEII处理试样表面硬度提高了约69%和27%。两个试样都形成了一定厚度的富集层和扩散层,碳化钨富集区域的厚度约为200μm。USRP+HEII处理试样相比于HEII处理试样的扩散层厚度提高了约27%。由摩擦磨损试验结果表明,经USRP+HEII工艺处理的试样的平均摩擦系数和体积磨损量在不同载荷和不同温度条件下都要低于经HEII工艺处理的试样,说明了USRP+HEII处理试样具有更加优良的摩擦磨损性能。在变载摩擦磨损试验中,HEII工艺处理的试样容易出现疲劳磨损及磨粒磨损;经USRP+HEII工艺处理的试样的磨损机制始终以氧化磨损和轻微磨粒磨损为主。在变温摩擦磨损试验中,HEII工艺处理的试样在低温下出现了疲劳磨损,随着温度的升高粘着磨损明显加重;USRP+HEII工艺处理的试样低温下以氧化磨损为主,随着温度的升高粘着磨损也开始加重,但粘着磨损加重程度要轻于经HEII工艺处理的试样。经热疲劳试验发现,相比于HEII工艺处理的试样,通过USRP+HEII工艺处理试样的表面裂纹相对较少;USRP+HEII工艺处理的试样沿截面的裂纹最大深度降低了约37%,宽度也相对较小;靠近表面约30μm左右的区域,经USRP+HEII工艺处理试样的硬度要高于经HEII工艺处理的试样。通过以上分析得出,经过USRP+HEII工艺制备的试样具有更好的热稳定性和综合性能。