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1、氮在钢铁材料H13中的扩散行为研究11，321，3余春燕，王社斌，侯文义，许并社（1太原理工大学材料科学与工程学院，2太原理工大学机械工程学院，3教育部新材料界面与工程重点实验室，山西太原030024）n–Q/RT摘要:通过对H13钢(4Cr5MoSiV1)在不同温度下进行辉光离子渗氮试验，利用公式ξ=K0·eτ计算出氮在其中扩散的激活能为131.48kJ/mol，用菲克第一定律计算出793K时氮在其中的扩散系数为-1222.34×10m/s。为钢铁材料表面处理工艺提供了理论计算模型和基础数据。关键词:4Cr5MoSiV1;渗氮;激活能;扩散系数
2、;中图分类号：ThestudyondiffusionbehaviorofnitrogeninH13steel11,321,3*YuChun-yan,WangShe-bin,HouWen-yi,XuBing-she(1CollegeofMaterialsScienceandEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China2CollegeofMechanicalEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,Chi
3、na3KeyLaboratoryofInterfaceScienceandEngineeringinAdvancedMaterialsofTaiyuanUniversityofTechnology,MinistryofEducation,Taiyuan030024,China)Abstracts:SpecimensofH13steel(4Cr5MoSiV1)wereglowplasmanitridedatdiferenttemperature.Theactivationn–Q/RTenergyfornitridingwas131.48kJ/mol
4、forcorrespondingspecimenonthebasisofξ=K0·eτ.Thediffusioncoefficient-122was2.34×10m/sat793KbyFick'sfirstlaw.Atheoreticalcalculationmodelandbasicdatawereofferedforthesurfacetreatmenttechnologyonferrousmaterial.Keywords:4Cr5MoSiV1;nitriding;activationenergy;diffusioncoefficient;
5、1引言H13钢（4Cr5MoSiV1）是目前国际上广泛使用的热作模具钢，在服役过程中的主要失效形式为[1]磨损和热疲劳。为提高模具表面硬度、耐蚀、抗粘结等性能，必需对H13钢模具进行表面强化处理。模具的表面强化处理有许多种方法,而离子氮化在保持压铸模具心部原有的强度与韧性的同时，可有效地提高压铸模具的表面强度，并且氮化时氮与H13钢中的Cr、Mo等元素，生成稳定的氮化物可弥[1,2]散分布于基体中，由此提高了模具表面的耐磨、耐蚀和抗粘结性能。目前，国内外已对H13钢的离子氮化进行了一系列相关的研究，但对于氮在H13钢中的扩散机理与分布规律等基础性
6、的研究还没有看到相关的报道，它直接阻碍着在复杂工件表面处理时该工艺的应用。为此本文利用辉光离子低温渗氮技术,研究了氮原子在H13钢中的扩散行为，测定了氮原子在该种钢中的扩散激活能，并建立离子氮化的动力学模型。为Fe-Cr-Mo-C系热作模具钢的表面氮化处理提供了工艺设计的基础数据。基金项目：国家自然科学基金资助项目(20271037，20471041)。作者简介：余春燕（1975-），女，山西宁武人，博士研究生。导师：许并社（1955-），男，山西翼城人,太原理工大学教授，博士生导师；王社斌（1962-），男，山西临漪人，太原理工大学副教授。87
7、2试验方法把H13钢（4Cr5MoSiV1）加工成内径为ф5mm、外径为ф15mm、高为5mm的空心圆柱体的试样，经1040℃淬火+520℃×2h回火处理后进行辉光离子渗氮试验。渗氮前对试样抛光并去油，随后在丙酮溶液中进行超声波清洗，后吹干放置在干燥器中备用。把试样分为3组，分别在450℃、480℃、520℃下进行离子渗氮，每组试样的渗氮时间分别取1h、2h和4h。离子渗氮在专利设备（ZL021103038）中进行，用干燥的氮气和氢气作渗氮介质。离子渗氮时，先抽真空至20-30Pa,通入N2气进行辉光清洗约15min后，再通入H2气。调整好H2：
8、N2的比例（H2：N2=3：2），渗氮时炉内压力控制在130-150Pa。试样渗氮后气冷。为防止试样出炉后氧化，试样渗氮后用氮气冷却至室
