316L奥氏体钢通过固相钛扩散的表面改性外文翻译资料

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316L奥氏体钢通过固相钛扩散的表面改性

为了获得含钛扩散层，富含铬、镍成分的奥氏体钢的表面改性实验一直在进行。我们采用的钢是被用于移植学的316L型，其组分在重量上所占比重%:C=0.03;Cr=16;Ni=10-14;Mo=2-3；

Mn=2.0;Si=0.75;P=0.045;S=0.03和N = 0.10。粉末的热化学处理过程进行之后扩散层形成。这个填充混合物是由不同比例的钛粉、氧化铝以及浓度达到总重3%的氯化铵组成。工作温度和时间可以变化，固相扩散层需要900℃以上高温并加热好几个小时，通过粉末法渗钛的主要优点是渗层是合金化类型并且不论是形状或是粗糙度都十分均匀。在不同温度和处理持续时间条件下所获得的扩散层，通过光学显微镜和维氏显微硬度试验研究了它的横截面。在扩散涂层里形成不同相的特性可以通过X射线衍射来研究。316L奥氏体钢制成的金属部分的表面改性,我们追求两个目标：为了提高耐蚀性，我们都知道从这样的钢中产生的移植物代表着某种程度的浸出，这个会导致排出剧毒铬离子进入生物体和为了准备适合生物陶瓷覆盖涂层的表面。

关键词：钛扩散涂料、316L奥氏体钢

1. 引言

高铬含量16%~18%，镍含量10%~14%的316L奥氏体钢通常用来制作大骨植入物如臀部和股骨假体。这种钢能够很好地被人体接纳，但金属假肢与体液长时间接触后，某些合金离子便会浸出进入体液。六价铬离子甚至会导致致癌这一点已经被证明了。这样一个麻烦可能可以通过含钛扩散层覆盖金属基底解决。

根据覆盖元素和基底材料元素，这种通过扩散过程获得的表面层可能是有着宽混合性域的固溶体类型，或者根据相图它们能够逐渐形成一个连续阶段。最新的情况表明，扩散元素原子在到达金属基底之前经历过所有形成阶段。覆盖元素对大部分金属的扩散伴随着基底元素向表层的扩散。层内,大规模运输特点由扩散系数决定和层建筑根据适合每一相的动态法发生。通过扩散层的获得，我们为了对含金属的部分进行表面改性。这些层存在几个优势：对基底有很好的粘附性并且化学和力学性能优于基体材料和它们也确定最小的尺寸变化。

这里有几种方法来获得扩散层，我们采用的方法主要是利用我们之前的工作，即包装粉含有如活化剂氯化铵。

1. 试验

扩散层形成至少需要两个不同的过程。第一个过程在于引进与基材表面相关的扩散型金属通过适当的扩散过程使扩散型元素持续地吸附在基材网络。以粉末混合物的方法如把氯化铵作为活化剂,扩散元素从气相中产生。第二个过程便是扩散元素的补充途径。气相通常是由卤素化合物,尤其是氯化物。几种类型的卤化反应发生,BX2金属释放扩散B,扩散到基体金属A中。这些反应可以示意图表示

置换反应：A BX2(gas)harr;AX2 B （1）

还原反应：BX2(gas) H2harr;2HX B （2）

分解反应：BX2→B X2 （3）

置换反应意味着从基材表面移除或者取代原子A为B原子提供位置。对于A和B原子原子质量相近时,不管扩散层的厚度怎么样，这个反应在金属部分质量变化很小。其他两个反应引起热处理后金属部分质量的增加。

产生这些反应的可能性可以通过热力学公式来推导。因此,元素B沉积在衬底表面的浓度取决于热处理工作温度气相成分的分压和B对金属基材的活性程度。如果自由能的平衡条件

Delta;Go=-2.303RTlogKp （4）

如果它被用在生成BCl2和ACl,反应(5)和(6),平衡常数Kp是:

B Cl2harr;BCl2 （5）

A Cl2harr;ACl2 （6）

对置换反应而言（1）：

（7）

（8）

对于A与B物质浓度近似的表层,在方程（8）一个单位的差异意味着金属氯化物溶液10%的蒸汽压以一种原子状态转化成覆盖金属层。相差两个单位代表着1%的差异可以为实际置换反应构造出一个必要的最低限度。

在目前的研究中,我们使用粉混合物主要包括:钛粉造粒和质量浓度高达77%,氧化铝粉末和氯化铵重量高达3%。主要用于扩散金属化条件下,在温度超过800℃NH4Cl分解的环境内气相产生。

2NH4Cl→N2 3H2 2HCl （9）

形成的气体与粉末混合物中的金属形成氯化物,随后以元素原子状态自由扩散(钛原子在我们的例子中),通过其中一个描述机制(置换、还原、热分解反应)或在大多数情况下,通过参与的更多类型的反应。扩散可能发生，此时会伴随着通过物理机制形成固溶体或通过扩散与反应机理形成化合物，这样的例子中化学活性起着重要的作用。

实验是在马弗炉中进行的。样本装在金属或陶瓷中，尺寸是phi;= 2,3和4厘米,高度h = 5.5厘米。曲颈瓶用盖子紧闭。这个过程是在空气中进行的。316 L奥氏体钢的部分维度10 x 10 x 3毫米。一些板材用240~280砂纸抛光打磨和其它用Al2O3喷砂粉(125mu;m)。在放入粉末混合物之前,板材和放入丙酮中脱脂。经处理后板材清洁,通过超声振荡洗涤横截面和在砂纸上抛光以及浸在Al2O3(0.25mu;m)乳液中。因此准备好的样本测量其维氏硬度并通过光学显微镜检测以获得其微观图。

维氏显微硬度是用含有钻石棱镜的内曼设备，在没有腐蚀的样品横截面上。印力P是100 重力。

为了确定形成的相和化合物,通过X射线衍射与DRON-20衍射仪CuKalpha;1,alpha;2(lambda;= 1.54178)辐射检测样品。

1. 结果

316L奥氏体钢的样品有以下成分:C=0.03;Cr=16-18;Ni=10-14;Mn=2.0;Mo=2-3;Si=0.75;P= 0.045;S=0.03;N=0.10和铁重量合起来高达100%。

渗钛处理的工作条件由表1中列出：

样品含77%元素Ti的钛粉混合物(默克纯度和150mu;m)在温度高于1000ordm;C显示非常均匀层严格样本轮廓,表格1-3。

图1所示。钛粉重量高达77%的渗钛样品在光学显微镜下横截面照片;1200℃；5h;用维莱拉反应进行金相刻蚀。

图2所示。钛粉重量高达77%的渗钛样品在光学显微镜下横截面照片；1200ordm;C;2 h,用维莱拉反应进行金相刻蚀。

图3所示。钛粉重量高达77%的渗钛样品在光学显微镜下横截面照片；1125ordm;C;5 h;用维莱拉反应进行金相刻蚀。

图4所示。扩散层厚度随加热时间变化曲线(1000ordm;C的温度)

图5所示。层厚度随温度变化(扩散时间:5小时)。

层厚度按照抛物线型变化,图4中,随温度以一种指数变化,图5,事实证实了热处理的扩散特性。

图6所示。钛粉重量高达77%的渗钛样品在光学显微镜下横截面照片;1200ordm;C;5 h;没有金相腐蚀;维氏显微硬度痕迹P=100gf。

维氏显微硬度试验提供了表2中列出的值。

1. 讨论

通过温度和热处理，钛扩散到316 L奥氏体钢表面导致的扩散层厚度在140和340mu;m之间。通过检查光学显微图,图1-3，扩散层由两个区域形成:一个外薄,明亮易于分隔,内部的要大得多。显微硬度试验了给了不同的标准,外围的比基体的维氏显微硬度大得多(高压（P = 100 gf)= 849 Kgf /毫米2，高压（P = 100 gf)= 158 Kgf /毫米2)。内部区域的显微硬度是基体的3倍,表2,所有内层厚度保持不变。这个事实就是扩散层是由扩散与反应机理形成的证明。外区域的性质是由x射线衍射分析的。

在另一篇论文中,我们应当在把外层磨光以后通过X射线衍射分析确定内层的性质。

因为扩散层在超过900℃的高温下和热处理好几个小时,钢结构随着物颗粒物增加和显微硬度减少而得到优化。未被热处理的316L奥氏体钢的显微硬度是高压（P = 100 gf ）= 203 Kgf /毫米2,而通过保温热处理基质的显微硬度是高压（P = 100 gf） = 158 Kgf /毫米2

1. 结论

1.316L奥氏体钢的部分用于在移植学上做假肢是通过保温热处理的化学过程使钛扩散到表面上。

1. 使用的方法是用NH4Cl活化剂粉。
2. 获得的扩散层的厚度在140和340mu;m之间得处理工艺参数参数:钛粉量、温度和处理时间。
3. 在高于900℃所获得的所有渗层又两个区域构成。外区由更薄更明亮的TiN,比基地显微硬度高5倍。
4. 我们循着两个目标通过钛扩散进316L奥氏体钢表面来优化其性质:

提高对人体体液的耐腐蚀性

获得一个表面能够更好地粘附在这样的成分：SiO2-Na2O-K2O-LiO-CaO-MgO-P2O5-b2O3 -TiO2,通过上釉药得到应用。

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