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P20模具钢层流等离子束表面硬化的磨损和腐蚀行为分析

层流等离子束；P20 模具钢；表面硬化；磨损；腐蚀。

在注塑成型过程中，模具表面会受到流动的熔融塑料的冲击和摩擦。而且，在随后的脱模过程中，固化后的塑料可能会刮伤模具，导致模具表面出现磨损缺陷。此外，熔融的塑料极易分解并挥发出一些腐蚀性气体，如HCl、HF，会对模具表面造成腐蚀损伤。因此，为了提高注塑模具的使用寿命，进一步获得高质量的最终塑料制品，需要提高注塑模具表面的耐磨性和耐腐蚀性。表面硬化是一种常见的热处理工艺，已广泛应用于齿轮、轴、磨辊、模具等重要零件的制造，其目的是使材料表面形成硬化层的同时保持材料内部组织和性能不变。层流等离子束（LPJ）表面硬化被证明是一种行之有效的表面硬化手段，然而针对以P20为代表的注塑模具钢，目前尚不清楚LPJ处理后的P20模具钢表面的磨损和腐蚀行为。为了给LPJ在P20模具钢表面硬化的应用提供理论可行性，以提高注塑模具的使用寿命，本文详细研究了P20模具钢在LPJ表面硬化后的磨损和腐蚀行为。

首先，对一种商用P20模具钢进行了LPJ处理。对工件表面温度场进行了数值模拟，揭示了微观组织的转变机理。对LPJ处理后的试样的表征以及数值模拟的结果显示：由于LPJ处理后热影响区的超快冷却速率，P20模具钢的组织由回火马氏体转变为致密的板条状马氏体，硬度从300 HV提高到600 HV左右，并且使得表面残余压应力从-255.01增加到-752.34 Mpa。此外，在奥氏体化过程中，大量板状碳化物(Fe3C)和球形碳化物(M3C, M=Cr, Mn, Mo)溶解，导致Cr元素分布更加均匀。

再次，为了深入了解LPJ处理后P20模具钢表面的磨损行为，进行了一系列的球平面摩擦磨损试验，摩擦磨损试验结果显示：LPJ表面硬化处理能显著提高P20模具钢的耐磨性。与未处理样品相比，LPJ处理样品的平均摩擦系数COF降低了约1.7倍，磨损率降低了约2.3倍。处理后的试样的磨损机理由磨粒磨损结合黏着磨损转变为轻度氧化磨损。

最后，使用电化学腐蚀试验研究了经LPJ处理的试样的腐蚀行为，研究结果显示：经LPJ处理后试样的耐蚀性明显高于未处理试样。未处理试样的腐蚀速率为0.2427 mm/年，而处理试样的腐蚀速率仅为0.0680 mm/年。这种高耐蚀性主要归功于致密的板条马氏体组织以及均匀分布的Cr元素。