奥氏体不锈钢表面纳米化处理后渗硼

毕业设计（论文）

外文翻译

题 目 高强度合金钢超音速喷丸 专 业 班 级 学 生 指导教师

表面纳米化后低温渗硼

材料化学 材化122 唐 建

葛 利 玲 教授级高工

2016 年

高强度合金钢高速气体辅助喷丸产生表面纳米层低温渗硼

H.P. Yang *, X.C. Wu, Y.A. Min, T.R. Wu, J.Z. Gui

上海大学材料科学与工程学院，上海200072，中华人民共和国

摘 要

高强度合金钢（AISI H13）经高速气体辅助喷丸（ABSP）产生表面纳米结构层，在580℃下进行4h热处理。生成了由Fe2B和FeB两相组成的厚度为4μm的连续涂层，并且渗硼层的纳米硬度高达20 GPa。这些结果表明，循环变形和喷射与样品表面之间的角度表面层产生纳米晶粒的过程中发挥关键作用。通过使用ABSP作为前处理工艺，硼扩散和硼化物的成核速率可在纳米结构的表面层被显著地提高。此外，渗硼样品在熔融铝合金中的重量损失率与未处理的样品相比只有40％，其主要原因是，涂层可有效地防止基体与熔融铝合金直接接触。

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文章信息 文章历史：

2013.2.26收到 2013.4.15接受修订表格 2013.4.23网络可获取 关键词

H13钢材 表面纳米结构层 高速气体辅助喷丸 等离子体渗硼

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1.介 绍

AISI H13钢是广泛用于挤压模具以及压铸铝合金和许多其他金属工件的工具钢，有高的强度和韧性的合金钢。然而，这种模具钢常用在腐蚀性的环境，因此有必要采用表面处理技术，以改善其表面性质，如耐磨性、硬度和耐腐蚀性。渗硼技术在热化学表面处理方面引起广泛关注，因为相比于当前物理涂层工艺，渗硼层具有优良的对基材的附着力。渗硼工艺可以在固体，液体或气体介质中进行[1]。以往许多文献报道了用来在钢表面上制备硼化物层的渗硼技术[2-5]。然而，大多都有要求相对高的加工温度（750-950℃）或耗时的缺点，这对基体的机械性能有害并且造成工件的变形。对于H13钢，渗硼工序的一项关键要求是它必须在650℃温度以下进行，为了防止晶粒生长和碳化物的析出，保持它们的高强度和韧性。因此，在过去几十年，在较低温度下较短的时间内渗硼吸引了广泛显著的兴趣。等离子体渗硼预计能够加速硼原子扩散入钢中，由于该方法的性质。它被认为是能在较低的温度下完成[6,7]。然而，到目前为止，在低于650℃用等离子体渗硼形成钢表面硼化物层的报道是缺乏的。此外，很少有工作一直专注于等离子渗硼处理的H13模具钢的动态抗腐蚀性能的研究。

众所周知的是化学热处理产生的硼化物层取决于渗硼条件和材料本身的性质。这两个因素被晶界和位错密度的强烈影响。由于大量的晶界和位错密度，硼原子的扩散动力可以被材料表面纳米结构层显著增强。已经提出了多种严重塑性变形的方法来产生纳米晶材料。在这些技术中，喷丸硬化工艺不仅可导致残余压应力，而且还能制备表层超细晶粒。纳米结构表面层可以通过使用气体辅助喷丸硬化（ABSP）在不锈钢[8]，低合金钢[9]，以及硅钢[10] 中得到，该技术已经被广泛应用到材料处理中。但是到现在为止，通过这个方法在高强度合金钢表面产生纳米结构层尚未见报道。在这项研究中，低温下等离子渗硼在经过ABSP辅助处理的AISI H13钢进行。此外，对熔融铝合金的耐动态腐蚀性质进行了研究。

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2. 实 验

2.1 材料和喷丸处理

在实验中使用的AISI H13钢的化学组成含有（重量％）0.42C，4.93Cr，1.40Mo，0.98Si，0.87V，0.30Mn，0.018P，0.005S和余量Fe组成。铁素体钢预处理是通过在1030℃淬火，在610℃回火两次，得到马氏体组织。样品的硬度为46-47 HRC。 ABSP之前，形状（60mm×60mm×4 mm）样品进行镜面抛光。然后，将样品通过0.8毫米直径的铸钢丸流0.5MPa下处理六个循环变形，每个循环的时间为5分钟。喷射喷嘴和样品表面之间的角度是在70-90°的范围内。等离子渗硼处理小样品的尺寸为15mm×15mm×4mm，样品块体如上所述加工。试样等离子体处理之前进行乙醇和丙酮中超声波清洗。

2.2 等离子体处理

等离子体渗硼系统主要包括真空室并配备了电力和气流控制单元。加载小样品后，它是通过520 V直流电压下Ar和H 2的气体混合物直接溅射清洁。同时，真空腔室的温度以2℃/min的加热速度升高到580℃。BF3以一定的流速送入真空室。气体的组成为BF3（3％体积％）中，Ar（37％体积％）和H2（60％体积％）。在我们的实验中，总压力一直保持650和700Pa之间4小时。施加在样品上的电压大约为550 V.

2.3 动态侵蚀测量

等离子体渗硼处理在10mm直径和60mm长尺寸圆筒状的样品进行，这试样是在动态侵蚀测量试验中使用。这些样品与未处理的样品进行比较。H13钢广泛用于铝合金压铸形成，其对于熔融铝合金动态耐侵蚀性是很重要的。 ADC12铝合金是一种被广泛应用于工业生产中的压铸铝。为了研究渗硼样品和未经处理的那些样品在熔融铝合金的动态耐侵蚀性的性能，在动态侵蚀测量中用ADC12铝合金。ADC12铝合金的化学组成为（重量％）：2.13Cu，0.87Fe，10.72Si，0.31Mg，0.36Mn，0.85Zn，0.054To，0.054Ni，0.056P，0.037Sn

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