激光熔覆高速钢结构耦合涂层的微观结构与摩擦学行为研究

为解决X120Mn12高锰钢在低冲击条件下耐磨性不足的问题，研究人员通过振动喷丸预处理（VPP）结合渗硼技术开展表面强化研究。结果表明，VPP通过诱导近表面塑性变形（150 μm深度）使晶粒尺寸减小12%、表面硬度提升2倍，渗硼层厚度达13.63-193.15 μm，显微硬度达984-1741 HV0.1。泰勒扩散模型证实VPP将硼活化能从155.72 kJ·mol?1降至150.53 kJ·mol?1，显著加速硼扩散。该研究为高锰钢表面工程提供了创新解决方案。

　　

在矿山、铁路等重工业领域，X120Mn12高锰钢因其优异的冲击韧性被称为"哈德菲尔德钢"，但其在低应力滑动磨损场景中表现不佳。传统渗硼虽能提高表面硬度，但高锰钢中12%的锰含量会改变硼溶解度，且高温处理易引发FeB/Fe₂B双层热膨胀系数差异导致的裂纹。如何在不牺牲韧性的前提下提升耐磨性，成为表面工程领域的难题。

德国开姆尼茨工业大学（Technische Universit?t Chemnitz）的研究团队创新性地采用振动喷丸预处理（VPP）技术，通过AISI 52100轴承钢球（硬度58 HRC）以50 Hz频率和5 mm振幅轰击表面2小时，在X120Mn12钢表面构建出150 μm深的塑性变形层。随后在1023-1323 K温度区间进行1-5小时渗硼处理，结合泰勒展开扩散模型量化硼扩散动力学。研究成果发表在《Surface and Coatings Technology》，为高锰钢表面改性提供了新思路。

研究采用三组关键技术：1）振动喷丸预处理（VPP）诱导表面纳米化；2）粉末包埋渗硼法（使用90% B₄C+10% NaBF₄混合粉末）；3）泰勒展开模型计算硼扩散系数。通过SEM-EDS分析渗层形貌，显微硬度仪测试力学性能，ASTM E112标准评估晶粒尺寸变化。

3.1 振动喷丸诱导表面改性

光学显微镜显示VPP使表层晶粒尺寸从8.20 ASTM级细化至7.29级，表面硬度提升100%。变形层内高密度位错和空位为后续硼扩散提供了快速通道。

3.2 渗硼层生长规律

在1023 K处理5小时后，VPP试样渗层厚度（27.16 μm）比铸态试样（22.16 μm）增厚23%。高温1323 K处理时，FeB（23×10^?6/°C）与Fe₂B（7.85×10^?6/°C）的热膨胀差异导致水平裂纹，但VPP试样仍保持193.15 μm的超厚渗层。

3.3 动力学机制解析

泰勒模型计算显示VPP使硼活化能从155.72 kJ·mol^?1降至150.53 kJ·mol^?1，扩散系数提升33%（1023 K时从3.03×10^?14增至4.04×10^?14 m²·s^?1）。这归因于晶界面积增加和缺陷辅助扩散效应。

该研究证实VPP预处理可使X120Mn12钢渗硼效率提升20%以上，但需控制温度在1173-1273 K以避免热裂纹。通过量化位错密度与扩散系数的关系，建立了机械-热化学协同强化的理论模型，为轨道交通耐磨部件表面工程提供了新工艺范式。Ali Günen团队指出，该方法在矿山机械衬板、铁路道岔等冲击-磨损耦合工况中具有应用潜力，未来可探索VPP参数与渗硼工艺的智能匹配优化。