在汽车轻量化需求的驱动下,高强钢和超高强钢在汽车中的应用越来越广。高强钢与超高强钢一般采用热冲压技术进行成形。与传统冲压模具相比,热冲压模具不仅要求模具材料具有良好的强韧性和耐磨性,还要求较好的传热性能。球墨铸铁不但具有优异的铸造性能、良好的减震性、机械加工性能、生产成本低等优点,而且热导率高于各种合金模具钢,目前已经广泛应用于汽车模具的制造。利用球墨铸铁制造热冲压模具不但能够降低模具制造成本,缩短制造周期,而且可以获得更加优化的冷却方案,有效地提高热冲压成形的产品质量。但是,球墨铸铁在高温条件下的性能下降明显,尤其是表面耐磨性能下降,严重影响热冲压模具的使用寿命。为了解决以上问题,本文采用了面向三维模具表面的等离子束改性技术,研究了通过表面合金化的方式在球墨铸铁表面制备含有铜颗粒强化层的相关工艺,并对强化层的耐磨性进行了深入的研究。铜的质地柔软,具有优良的减摩性能,同时铜的热导率较高,通过等离子束合金化的方式将铜熔入到球墨铸铁的表层,不仅可以提高球墨铸铁的表面耐磨性,而且能够改善强化层的导热性能。在工艺方面,根据等离子束表面合金化技术的工艺特点,研究了主弧电流、扫描速度等基础工艺参数对合金化的影响。同时,为了适应三维等离子束表面合金化的工艺特性,本文进一步深入探讨了等离子枪距工件表面距离(枪口高度)、等离子束与工件法向的夹角(偏转角度)、等离子束扫描轨迹的间距(扫描间距)等三维工艺参数对合金化的影响。研究表明,主弧电流和扫描速度对球墨铸铁表层铜的融入效果以及微观组织的演变有着重要的影响;枪口高度、偏转角度和扫描间距直接影响着熔池形态,枪口高度为4 mm时,熔池的深度和宽度达到最大值,熔池偏移量随偏转角度成线性变化,而且搭接的不同区域其硬度和组织存在较大差异。因此在三维等离子束表面合金化过程中需要充分考虑这些因素的影响规律,才能有效控制合金化的工艺效果。在耐磨性方面,对球墨铸铁试样进行合金化和熔凝处理,通过室温和高温下不同工艺参数的合金化试样和熔凝试样的摩擦磨损性能测试,研究了铜颗粒在室温和高温范围内对摩擦系数和摩擦性能的影响机制,同时分析主弧电流对摩擦系数和磨损形貌的影响以及载荷对摩擦系数的影响。研究表明:在室温和高温下,铜的熔入,使得合金化试样的平均摩擦系数比熔凝分别低0.04和0.065,起到很好的减摩效果,摩擦表面的粗糙程度明显降低,黏着和犁削作用减弱;主弧电流对合金化层的室温和高温摩擦系数的影响规律是相反的,室温下摩擦系数随主弧电流的增大而增大,而高温下摩擦系数随主弧电流的增大而较小;在不同温度下载荷对摩擦系数的影响也不一样,室温下随着载荷的增大摩擦系数减小,而高温下载荷对摩擦系数的影响不大。