振动喷丸预处理通过泰勒扩展模型调控Hadfield钢渗硼动力学的机制研究

为解决高锰钢(X120Mn12)在低冲击条件下耐磨性不足的问题，研究人员系统研究了振动喷丸预处理(VPP)对渗硼动力学的影响。通过50 Hz频率、5 mm振幅的VPP处理2小时后进行粉末渗硼，发现VPP使近表面150 μm区域晶粒尺寸减小12%，硬度提升2倍，渗硼层厚度增加6.5-15%，硼扩散激活能从155.72 kJ·mol-1降至150.53 kJ·mol-1。该研究为高锰钢表面强化提供了创新工艺方案。

　　

在矿山机械、铁路道岔等重载领域，高锰奥氏体钢(X120Mn12)因其优异的冲击韧性被称为"Hadfield钢"，但其在低应力磨损工况下表现欠佳。传统渗硼处理虽能提高表面硬度，但存在渗层生长速度慢、易产生脆性FeB相等问题。更棘手的是，高锰含量(12 wt%)会改变硼溶解度，而机械预处理对渗硼动力学的调控机制尚不明确。

德国开姆尼茨工业大学(Technische Universit?t Chemnitz)的Ali Günen团队创新性地将振动喷丸预处理(VPP)与粉末渗硼相结合，通过系统性实验和泰勒扩展模型，揭示了机械活化对渗硼动力学的促进作用。研究发现，VPP产生的位错和晶界为硼扩散提供了"高速公路"，使渗层厚度最高达193.15 μm，显微硬度提升至1741 HV_0.1。相关成果发表在表面工程领域权威期刊《Surface and Coatings Technology》上。

研究采用三大关键技术：1) 使用AISI 52100轴承钢球(硬度58 HRC)进行2小时VPP处理；2) 在1023-1323 K温度区间进行1-5小时粉末渗硼(B₄C+NaBF₄混合介质)；3) 结合SEM-EDS、显微硬度测试和泰勒扩展模型定量分析扩散动力学。

【3.1 晶粒细化与表面硬化】

光学显微镜和ASTM E112分析显示，VPP使近表面150 μm区域产生显著塑性变形，晶粒尺寸从ASTM 8.20级细化至7.29级，表面硬度翻倍。这种纳米晶结构为后续渗硼提供了高密度扩散通道。

【3.2 硼化物层形貌演变】

XRD证实所有样品均形成FeB/Fe₂B双相层，VPP样品在1023 K/5h条件下的渗层厚度(27.16 μm)比铸态样品(22.16 μm)增加23%。但1323 K时因FeB(23×10^-6/°C)与Fe₂B(7.85×10^-6/°C)热膨胀系数差异导致横向裂纹，提示最佳处理温度应控制在1173-1273 K区间。

【3.3 泰勒模型动力学模拟】

通过建立非线性硼浓度分布模型，计算出VPP使硼扩散激活能从155.72 kJ·mol^-1降至150.53 kJ·mol^-1，扩散系数提高1.15倍。这归因于位错密度增加和空位形成降低了扩散能垒。

该研究首次阐明振动喷丸通过"缺陷工程"调控渗硼动力学的机制：1) 晶界密度增加提供快速扩散路径；2) 残余压应力促进硼吸附；3) 纳米晶结构抑制FeB相脆性生长。相比传统喷丸，VPP具有能耗低、处理均匀的优势，为高锰钢构件(如破碎机颚板、铁路辙叉)的延寿提供了新思路。但需注意高温(>1273 K)会导致再结晶软化，削弱预处理效果。这些发现不仅完善了扩散动力学理论，也为多场耦合表面改性技术开发提供了重要参考。