随着工业自动化程度的提高,热作模具在汽车、机械等产业中的地位越来越重要,性能要求也不断向大型、精密、高效率、高寿命等方向发展。在服役过程中,热作模具不仅要承受巨大载荷,还要与高达1200℃的工件金属接触,使得模具型腔的表面温度长期保持在450～600℃,另外还要承受周期性的交变应力和摩擦作用,工作条件差,经常因磨损、变形或疲劳而失效。目前,使用堆焊技术制造模具或修复报废的模具是一种质量可靠、成本低、应用灵活的方法。本文以Cr13马氏体不锈钢型堆焊焊条为基础,通过向焊条药皮中添加Ti、V、Mo、W、Cr、Ni等元素进行合金化,采用向焊条药皮中添加CrN的方式实现堆焊金属的氮合金化,设计制备了新型热作模具堆焊焊条。通过热力学计算,分析了堆焊金属中碳氮化物的析出行为和强化作用,研究了堆焊金属在高温氧化环境下的摩擦磨损特性,并对其磨损机制进行了分析。结果表明,新型热作模具堆焊焊条的堆焊金属组织为马氏体、少量残余奥氏体、以及细小而弥散分布的碳化物,而且碳化物是Ti、V、Mo、Cr等合金元素聚集生长的复合碳化物。这类复合碳化物与强韧性的马氏体基体相结合,表现出优良的耐磨性。堆焊金属氮合金化的研究发现,Ti、V、Mo、Cr、Mn等元素能够增大氮在液态熔池中的溶解度,提高堆焊金属中氮的固溶度,而且这些合金元素还可以与碳、氮结合,形成复杂的碳氮化物,进一步提高了堆焊金属中的氮含量,使得氮合金化成为可能。氮合金化堆焊金属组织为马氏体、少量残余奥氏体,在晶界和马氏体基体上还弥散分布着很多细小的碳氮化物粒子。随着氮含量的增多,堆焊金属中的碳氮化物数量增多,且尺寸逐渐增大、分布亦更加均匀。马氏体不锈钢型堆焊金属的焊接性较差,为了避免产生裂纹,需要进行焊前预热。结合经验公式,氮合金化可把堆焊金属的Ms点温度降低到191℃左右,堆焊时可以选择更低的预热温度和层间温度,可有效节约资源。另外,N、Ni等奥氏体化元素使得堆焊金属中存在少量残余奥氏体,对韧性有益。经热力学计算可知,TiN在液相中析出,TiC在固液共存相中析出,其余碳、氮化物在固相线温度以下析出,且析出顺序为：TiN>T, (1740.6K)>TiC> Ts(1627.4K)>VN>Cr7C3>VC0.875> Mo2N> Cr23C6> VC> Mo2C> WC> V2C>MoC>W2C。氮合金化的强化机制包括间隙固溶强化、细晶强化和析出强化。间隙固溶强化为堆焊金属冷却速度快,氮、碳原子大量固溶于基体晶格间隙,提高了基体强度。细晶强化是在液相中和凝固前沿分别可以生成TiN和TiC,它们可作为非自发形核核心,细化晶粒。析出强化是经回火处理后,大量碳氮化物沿晶界、位错、或者马氏体边界析出,产生二次硬化。根据高温摩擦磨损试验可知,300℃温度下,未氮合金化试样的磨损失效机制主要为磨粒磨损以及少量的氧化磨损；氮合金化试样的磨损机制主要为氧化磨损及塑性变形引起的层状剥落。而600℃温度下,未氮合金化和氮合金化的试样的主要磨损机制均为氧化磨损、塑性变形引起的层状剥落、以及伴随着氧化膜脱落导致的磨粒磨损。但是氮合金化堆焊金属具有更高的强度和热稳定性,耐磨性优于未氮合金化的堆焊金属。