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外文资料翻译等离子渗氮塑料模具钢的耐磨性和耐腐蚀性的提高学生姓名：专业班级：指导教师：河北工程大学机电学院年月目录摘要 (I)第一章绪论 (1)第二章实验细节 (2)2.1材料和技术 (2)2.2摩擦和磨损试验 (3)2.3电化学行为测试 (3)第三章结果与讨论 (4)3.1微观结构 (4)3.2硬度 (7)3.3磨损性能 (7)3.4腐蚀行为 (10)第四章结论 (12)致谢 (12)摘要这项研究是通过等离子渗氮在硬化型塑料模具钢（NAK55）表面形成的沉淀层对其耐磨性和耐腐蚀性能的影响。

等离子体氮化处理实验是在一个25％N2+75％H2的工业氮化设施中以475℃，500℃，525℃三种温度下分别进行10小时。

通过X射线衍射的测定，研究了氮化层的微观结构和各种相。

磨损试验是在润滑的块状环形磨损试验机中进行。

其耐腐蚀性是在3.5％NaCl溶液中采用阳极极化测试的。

研究结果表明，等离子体氮化不会因为过时效处理而导致内部的软化。

渗氮和疲劳可能会在同一个测试周期的同时出现。

等离子渗氮NAK55模具钢的表面是由富含ε-氮化物的氮化层和在钢表面上相邻的氮扩散层组成的氮复合层。

提高渗氮时的温度可能会增加氮化层的厚度与氮化物的体积分数。

等离子渗氮同时提高了表面硬度和耐磨性。

钢的抗磨损性能被发现与增加到扩散层的厚度有关。

腐蚀研究表明，在腐蚀电位和腐蚀速率方面，离子渗氮显著提高了耐腐蚀性。

改善的耐腐蚀性被认为与钢表面增加的氮化物的体积分数有直接关系。

第一章 绪论 在聚合物的注塑成型中，模具是一个关键因素。

在工程塑料领域影响其持续增长的必要性是降低高性能模具钢的发展成本。

沉淀硬化工具钢现在用于该用途具有良好的效果—更好的质量，低廉的成本，并提高了性能。

其中一个是日本大同特殊钢研制的NAK55模具钢，用于制造塑料模具预硬钢。

通常经过溶液处理后，这种钢的硬度为30〜32HRC 。

在500℃下进行5小时老化，硬度可达到38〜41 HRC 。

在这种情况下，具有可忽略尺寸变化的优越表面的钢与AISI P-20工具钢相比，机械效率提高50％。

尽管这种钢可以达到相当高的机械性能，还可以通过表面处理如氮化手段来延长注塑模具的寿命。

氮化是一种将氮气引入金属材料的表面处理技术，可以提高其表面硬度，机械性能，以及耐磨及耐腐蚀性能。

常规气体和液体渗氮工艺不适合用于沉淀硬化钢，因为在这些过程中使用的高温超过550℃时就超过了这种钢的时效温度，并可能导致芯的过老化。

然而，等离子体氮化可以在比老化温度较低的温度中进行。

等离子体氮化处理工艺是在N 2和H 2的混合气体装置中，通过辉光放电，当钢处在500℃附近的温度时，氮气可以穿透钢的表面并扩散到内部。

在这种条件下，产生在钢表面上的氮化层的结构可分为一个化合物层和扩散层。

化合物层由ε（Fe 2 - 3 N ）和γ'（Fe 4N ）以及氮化物与合金元素组成，而扩散层主要填隙在固体原子的溶液和精细组成，与由达到溶解度极限后析出的氮化物一样。

这些层的厚度和组合物是的处理温度、时间和基体材料的组合物的函数。

扩散层决定了氮化层的强度，以及其疲劳强度，而化合物层决定耐磨性和耐腐蚀性。

一些研究标明，当表面层的每一个的单层由εFe 2 - 3 N 紧密排列成六边形的时候才得到最好的耐磨性。

此外，由于它的晶体结构和更高的氮含量，ε-氮化与γ'-氮化相比表现出更好的耐腐蚀性。

另一项调查报告说，在铁氮化后形成的γ'-氮化物表面层是相对稳定的腐蚀性介质。

因而氮化层的耐磨性及耐腐蚀性，依赖于构成的化合物层中氮化物的类型。

然而，对于等离子渗氮硬化工具钢，通过微观结构以及抗磨损和抗腐蚀性它们的影响有了更深的了解后，在这方面的工作还是很有限。

本文中的试验，NAK55模具钢的等离子渗氮在475℃，500℃，525℃下分别进行10小时。

表面氮化层与冶金组织、磨损性和腐蚀性有关，并对这一发现进行了评估，分析和讨论。

第二章实验细节2.1材料和技术用于该研究的材料是NAK55模具工具钢，就是市售的15毫米厚的板型。

在莱科GDS-750辉光放电发射光谱分析装置（GDOS）中运用的材料和规定的化学成分见表1。

可以看出，该材料的化学组成属于NAK55型钢规定的组合物范围。

试验材料在500℃下和40.2 HRC硬度的上述溶液中处理5小时。

还有同样未经氮化的材料作对比。

表1 NAK55模具工具钢的化学成分（重量％）切出12.7×12.7×12.7mm的NAK55钢板试样作磨损和腐蚀测试。

这些标本最初溶解在900°C，然后分别在475℃，500℃和525℃处理1～20h，从而确定其老化曲线，并引导渗氮处理。

氮化前，首先在地面上使用# 1200碳化硅（SiC）纸对溶解的试样表面进行超声波清洗。

等离子渗氮是在工业渗氮装置上进行的（DC）。

标本的溅射清洗是在250℃的80% Ar + 气氛中处理约1小时，去除表面形成的氧化层。

以600帕的腔室压力，25％N2+75％H2 20% H2的混合气氛中分别475℃，500℃，525℃处理10小时，对材料进行用等离子氮化。

用光电温度计仪将等离子渗氮的温度精度控制在5±℃。

为了防止表面氧化，完成氮化工艺的标本将在流动的氮气冷却室中冷却。

在实验中所用的参数列于表2中。

表2 等离子渗氮处理参数使用Olympus BHM 光学显微镜（OM ）和JEOL JSM-5600扫描电子显微镜（SEM ）研究基体材料的微观结构和氮化层。

使用Shimadzu X 射线衍射仪（XRD 的LabX-6000）的CuK α射线对化合物层的X 射线衍射（XRD ）进行研究。

使用归一化的相对（集成）强度比（RIR ）方法或矩阵冲洗法进行定量分析。

氮化层的显微硬度是用一个Future-TechFM-7自动测试仪，每15秒50克的小负荷来计量。

这些溶解，时间和氮化标本是测定罗克韦尔“C ”的核心硬度。

2.2摩擦和磨损试验摩擦和磨损试验用的是英国PLINT 有限公司的TE53磨损试验机，采用42 N （F ）负荷，以200rpm 速度，让块在无润滑的条件与环接触进行。

磨损试验机的示意图是在图1所示的。

环材料为经过淬火和回火工艺，硬度65HRC 以下的AISI-O1工具型钢材。

根据弹性接触Hertz 理论下的简化二维平面应变接触模型，最大压力（P ）为：P = (F ⁎E ⁎ / R π)1／2，其中F ⁎是单位长度的负载，R 是相对曲率，E ⁎= E /（1—V 2）。

对于NAK55模具钢来说，最大接触压力（≈90兆帕），只有其屈服强度（≈1030兆帕）9％的水平，假设的杨氏模量为200GPa 和0.3的泊松比。

这个接触压力很合理，不会引起化合物层的层间剥离，因此在磨损试验开始的时候不会发生塑性变形。

每1000次循环记录标本的重量损失，来确定磨损试验中的化合物层，扩散层和基片的区别，总共有10,000次，并通过一个DAND ER-182A 电子天平测定。

对于每个样品类型，磨损试验至少重复3次，最后结果取其平均值。

2.3电化学行为测试配备分析软件（CorrWare ）的恒电位仪（EG ＆G362）被用来评估电化学行为。

这个扁平细胞有三个电极构成，试样作为工作电极，饱和甘汞电极（SCE ）作为参比电极，铂片为反电极。

所用的电解液为3.5％NaCl 溶液。

动电位极化被横扫在1.0毫伏/ s 的固定频率。

腐蚀后的试验片，进行SEM 分析，通过凹坑的形态，分布和密度方面来分析腐蚀降解的严重性。

每个样品类型至少进行3次来评估其重复性。

图1 耐磨测试仪示意图第三章 结果与讨论 3.1微观结构图2示出了在500℃下进行固溶处理5小时的老化的钢显微组织。

可见贝氏体和马氏体组织，以及大量的小合金碳化物和沉淀物形成在所述基质中。

在溶解条件下的平均硬度是32 HRC 。

样品在不同温度下的老化曲线示于图3中。

高硬度水平老龄化在4-12 h 到达，在475℃，500℃，525℃下分别老化，其硬度的平均值为40 HRC ，40.9 HRC ，和41.1 HRC 。

此外，在14 h 之前没有发现过老化的迹象。

所有的洛氏硬度试验测量都是在1.47千牛顿的载荷下进行。

图3 在不同温度下样品的老化曲线图2 在4％硝酸酒精溶液和500℃下进行5小时处理的NAK55模具钢中的显微组织图5 氮化的体积分数随渗氮温度的变化趋势图4 XRD 衍射图案（a ）非氮化试样的（b ）在475℃渗氮试样的（C ）在500℃渗氮试样的（d ）在525℃下渗氮试样的图4示出从非渗氮和等离子体氮化的试样表面得到的X 射线衍射图谱。

对未渗氮试样仅表现出α-Fe ，表明其显微组织没有残余奥氏体的接收（图2）。

另一方面，三个不同的阶段可以识别氮化层：α-Fe 相，ε-氮化物相和γ'-氮化物相。

对于提高渗氮温度，α-Fe 相的峰值强度逐渐减少而氮化物的峰值强度逐渐增加。

这一发现与其他先前观测的一致。

通过使用RIR 方法从X 射线衍射图谱得到的定量分析结果显示，发现总氮化物的体积分数随氮化温度增加而增加。

如图5中所示，渗氮试验在525℃出现最大的渗氮体积分数（94％）。

此外，对于所有的氮化试样来说，ε-氮化物的量比和XRD 结果γ'-氮化物形成的要大得多，而且ε-氮化物的量随温度升高而增加。

然而，有人指出，在试样渗氮的等离子体氮化工序中，由于溅射法，550℃与400-500℃氮化相比，ε-氮化物在化合物层中的量较低。

因此，必须牢记，氮化温度高于525℃或氮化时间超过10小时的ε-氮化物相的强度可能降低，主要是氮化或样品的溅射率在基底的扩散过程中被脱碳和脱氮所取代。

等离子体氮化试样的一个典型光学显微组织示于图6中。

它由贝氏体加马氏体组成的内部核和外部表面氮化层构成。

渗氮表面由两层组成：一个在顶部非常薄的化合物层和下面的扩散层。

对扩散层的富氮在矩阵中的氮化物的析出物的分散情况进行了观察；通过化学蚀刻的划定，其是均匀的。

扩散层的厚度随氮化温度增加而增加，是由于氮气在较高温度下有较高的扩散速率。

图6的（b）—（D）显示出用扫描电子显微镜对等离子体氮化试样的横截面图像。

观察了所有的试样，其上表面的化合物层。

所揭示的X射线衍射中，化合物层主要由ε-氮化物和γ'-氮化物组成。

氮化在475℃形成薄的化合物层(Fig. 6(b))。

试样在，在500℃和525℃氮化时，化合物层变的更厚，更均匀(Fig. 6(c) and(d))。

氮化试样在475℃，500℃和525℃时其化合物层的平均厚度经测量分别约为2.8微米，4.2微米，5.0微米。

图6 试样在不同温度下氮化的横断面显微C（SEM）（a）475℃（OM）（b）475℃（SEM）（c）500℃（SEM）（d）525℃图7 等离子渗氮试样显微硬度的分布 3.2硬度氮化试样芯部的硬度值在475℃下，500℃和525℃下分别为40 HRC ，40.5 HRC ，和41.1 HRC 。