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摘 要

齿科医用不锈钢因使用环境涉及高应力和腐蚀性，材料表面易发生变形和腐蚀，因此提高表面硬度和腐蚀性能具有重要意义。本文研究了离子氮化对典型商用马氏体不锈钢（AISI420和AISI440）力学性能与耐腐蚀性能的作用。

本文对AISI420和AISI440分别进行了400℃至550℃共四组温度下的离子氮化处理，利用光学显微镜、XRD和SEM/EDS分析了表面组织、物相和成分；借助显微硬度计研究了不同温度氮化层表面硬度以及截面硬度深度分布；利用电化学腐蚀，对比了基体与不同温度处理样品表面在3.5wt%NaCl水溶液中的耐腐蚀性。

实验结果表明两种马氏体不锈钢均表现出随着处理温度的升高，氮化层厚度随之增加的趋势，其中AISI420的氮化层略厚于AISI440；当AISI420处理温度达到550℃，AISI440处理温度达到500℃时，氮化层内开始析出CrN相；表面硬度也呈现出随温度升高而变大的趋势，并在500℃时得到最大值，约为基体硬度的4-5倍，然而在550℃时硬度下降。其原因为氮化物的析出脆性增加，致使硬度下降。阻抗、极化曲线和腐蚀形貌分析表明，氮化后材料表面的抗腐蚀性能得到了大幅度提升，并在550℃时达到最佳。其原因可解释为低温处理时表面生成了耐腐蚀能力较强的氮的固溶相，高温时渗氮层会生成具有较强耐腐蚀性的CrN相。

关键词：马氏体不锈钢，离子氮化，硬度，腐蚀

Abstract

Dental medical stainless steel involves high stress and corrosive media during service, leading to deformation and corrosion of the surface. Thus, it is of great significance to improve the surface hardness and corrosion resistance. In this study, the effects of plasma nitriding on the mechanical properties and corrosion resistance of typical commercial martensitic stainless steels (AISI420 and AISI440) are investigated.

In this work, AISI420 and AISI440 were subjected to plasma nitriding at four different temperatures from 400 to 550 ºC. The microstructure, phase and composition of the surface were analyzed by optical microscopy, XRD, and SEM/EDS. The surface hardness and cross-sectional hardness profiles of the nitrided layers were compared using microhardness; the corrosion resistance was investigated in a 3.5 wt% NaCl aqueous solution using the electrochemical tests.

The results show that both martensitic stainless steels show that the thickness of the nitrided layer increases with the increase of the processing temperature, and the thickness for AISI420 is slightly higher than that of AISI440. CrN precipitates can be found at 550ºC and 500 ºC for AISI420 and AISI440, respectively. The surface hardness exhibited the increasing trends with the temperature as well, and reached the highest values at 500 ºC which are 4-5 times higher than those original hardness. With the further increase of temperature to 550 ºC, the surface hardness starts to drop which is ascribed by the precipation of nitriding leading to the higher brittleness.

Through the analysis of the impedance, polarization curve and corrosion morphology, it has been found that the plasma treated surface exhibits better corrosion resistance, and reached the best performance at 550 ºC. This can be explained by that the formation of nitrogen solid solution phase at lower processing temperatures and the CrN phase at higher temperatures.

KEY WORDS: Martensitic stainless steels, Plasma nitriding, Hardness, Corrosion

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 医用不锈钢简介 1

1.3 表面工程技术 2

1.3.1 表面工程技术的定义和分类 2

1.3.2 表面薄膜 2

1.3.3 表面改性 2

1.4 等离子氮化处理不锈钢研究进展 3

1.4.1 等离子氮化的机理 3

1.4.2 等离子氮化特点 4

1.4.3 等离子氮化的研究现状 4

1.5 研究目标与研究内容 4

1.5.1 研究目标 4

1.5.2 研究内容 5

第二章 实验材料及方法 6

2.1 实验材料 6

2.2 离子氮化马氏体不锈钢工艺参数 6

2.3 样品处理 7

2.4 等离子氮化处理不锈钢研究进展分析方法与使用设备 8

2.4.1 金相组织观察 8

2.4.2 X射线衍射分析 8

2.4.3 显微硬度测定 9

2.4.4 耐腐蚀性测定 10

2.4.5 成分测定 10

第三章 金相组织分析 11

3.1 组织结构分析 11

3.1.1 AISI420组织结构分析 12

3.1.2 AISI440组织结构分析 13

3.1.3 对比分析 16

3.2 物相分析 16

3.2.1 AISI420物相分析 16

3.2.2 AISI440物相分析 17

3.2.3 对比分析 18

3.3 本章小结 19

第四章 力学性能与耐腐蚀性能分析 20

4.1 表面硬度 20

4.1.1 AISI420表面硬度分析 20

4.1.2 AISI440表面硬度分析 21

4.1.3 对比分析 21

4.2 截面硬度-深度分布 22

4.2.1 AISI420截面硬度-深度分布 22

4.2.2 AISI440截面硬度-深度分布 23

4.2.3 对比分析 24

4.3 耐腐蚀性能分析 24

4.3.1 AISI420耐腐蚀性能分析 24

4.3.2 AISI440耐腐蚀性能分析 29

4.3.3 对比分析 34

4.4 本章小结 35

第五章 结论 36

致谢 37

参考文献 38

1. 绪论

1.1引言

在齿科医疗器械中，不锈钢被普遍运用在镶嵌牙、牙齿矫正、牙根种植等精密器件方面（如图1-1所示）^[1]。然而不锈钢材料表面的硬度不够，耐磨性差，极大地缩短了器械的使用寿命。此外，由于不锈钢对点蚀十分敏感^[2]，在人体体液环境下容易被腐蚀。器械被腐蚀后不仅力学性能和精度会降低，还会释放出对人体不利的金属离子，例如Ni、Cr、Mo等。按照目前的研究现状，开发新型医用金属合金难度高、周期长、成本高^[3]。相对开发新合金而言，通过表面改性对硬度和耐腐蚀性能进行综合改进，来提高器械临床使用效果，在医疗器械研究和开发中有着更为广阔和现实的前景^[4,5]。

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