表面納米化對電工純鐵和硅鋼滲硅行為影響研究.pdf

1、電工純鐵(Electromagnetic pure iron,EPI)和硅鋼具有高磁導(dǎo)率、低磁致伸縮和低鐵損等優(yōu)異的軟磁性能，隨著Si含量的增加，其磁致伸縮系數(shù)和鐵損值降低。但由于Si含量增加導(dǎo)致的塑性差、脆性大等影響，性能優(yōu)異的高硅鋼薄板難以用傳統(tǒng)軋制技術(shù)生產(chǎn)。Fe3Si作為一種高硬度、良好耐蝕性和低電導(dǎo)率的鐵磁性合金，可成為取代非鐵磁隔離劑的硅鋼涂層。目前滲硅方法主要有化學(xué)氣相沉積法、固體滲硅法、熔鹽電化學(xué)還原法和熔鹽非電解法，前三

2、者存在反應(yīng)溫度高、能耗大、表面質(zhì)量差、工藝復(fù)雜等問題，所以本文選擇更加簡易低溫的熔鹽非電解法，此方法無需電解所需的復(fù)雜裝置，無需保護(hù)氣體，可以在低溫650～900℃進(jìn)行有效滲硅。
　　表面機(jī)械研磨處理(Surface Mechanical Attrition Treatment,SMAT)是金屬表面納米化(Surface Nanocrystallization,SNC)的方法之一，即表面組織因?yàn)閺?qiáng)烈塑性變形(SPD)使晶粒逐步細(xì)化

3、至納米量級，得到納米—微米—亞微米梯度結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可以很好的促進(jìn)后續(xù)滲硅處理，這是由于SMAT材料表面高密度的高能晶界可以為化合物形成提供更高的熱力學(xué)驅(qū)動力，加快Fe-Si化學(xué)反應(yīng)；表層中大量納米晶界可以為Fe-Si原子提供短程通道，增強(qiáng)擴(kuò)散動力學(xué)。
　　本文選取EPI和硅鋼兩種軟磁材料進(jìn)行SMAT和滲硅處理，主要探究強(qiáng)烈塑性變形誘導(dǎo)表面納米結(jié)構(gòu)及變形層對滲硅行為的促進(jìn)作用，通過討論滲層的形成、組成及厚度變化，利用反應(yīng)熱力學(xué)和擴(kuò)

4、散動力學(xué)分析其SMAT后滲硅行為的變化，討論不同滲硅時間、溫度等參數(shù)對其表面形貌、相組成和滲層質(zhì)量的影響，從而得到以下結(jié)果：
　　1、SMAT處理后表層晶粒尺寸約為21nm，變形層厚度為30～100μm。試樣表面粗糙度增加，在一定范圍內(nèi)，表面粗糙度有利于促進(jìn)滲硅初期的表面擴(kuò)散使得滲層厚度增加，并且增強(qiáng)滲層與基體結(jié)合力。
　　2、滲硅后表面得到單相Fe3Si，根據(jù)反應(yīng)擴(kuò)散速率常數(shù)k值，得到SMAT對滲硅行為的促進(jìn)作用；同樣SM

5、AT可降低反應(yīng)擴(kuò)散激活能從而促進(jìn)Fe-Si互擴(kuò)散反應(yīng)進(jìn)行。通過分析SMAT時間與滲硅時間對滲層的影響，發(fā)現(xiàn)溫度是滲層厚度的決定因素；SMAT會因?yàn)闇囟壬邔B硅的促進(jìn)作用降低甚至消失。
　　3、SMAT處理促進(jìn)滲硅行為的機(jī)制為：
　　（1）變形層可以為擴(kuò)散提供短程通道，相比于粗晶體擴(kuò)散溫度更低，可以實(shí)現(xiàn)快速擴(kuò)散，提高滲硅層厚度；
　?。?）變形層由于SMAT儲存的能量可以為擴(kuò)散提供足夠的驅(qū)動力，降低擴(kuò)散激活能，促進(jìn)滲硅

6、的進(jìn)行。
　　4、從宏觀擴(kuò)散速率、擴(kuò)散激活能和微觀空位形成能、遷移能方面分析得到基體中Si含量的增加更有利于促進(jìn)后續(xù)滲硅行為。
　　5、SMAT后由于表面納米晶和變形層形成其硬度距表面深度增大而逐漸減小至基體硬度，并隨著SMAT時間增加，硬度變化距離增加。
　　6、由于SMAT使得試樣表面出現(xiàn)的微裂紋、孔隙等缺陷嚴(yán)重影響材料耐蝕性，使其隨SMAT時間增加而不斷降低。滲硅處理后形成的Fe3Si層可以有效提高基體的耐蝕性能