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，其磁致伸縮系數和鐵損值降低。但由于Si含量增加導致的塑性差、脆性大等影響，性能優(yōu)異的高硅鋼薄板難以用傳統軋制技術生產。Fe3Si作為一種高硬度、良好耐蝕性和低電導率的鐵磁性合金，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氣相沉積法、固體滲硅法、熔鹽電化學還原法和熔鹽非電解法，前三

2、者存在反應溫度高、能耗大、表面質量差、工藝復雜等問題，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雜裝置，無需保護氣體，可以在低溫650～900℃進行有效滲硅。
　　表面機械研磨處理(Surface Mechanical Attrition Treatment,SMAT)是金屬表面納米化(Surface Nanocrystallization,SNC)的方法之一，即表面組織因為強烈塑性變形(SPD)使晶粒逐步細化

3、至納米量級，得到納米—微米—亞微米梯度結構，這種結構可以很好的促進后續(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驅動力，加快Fe-Si化學反應；表層中大量納米晶界可以為Fe-Si原子提供短程通道，增強擴散動力學。
　　本文選取EPI和硅鋼兩種軟磁材料進行SMAT和滲硅處理，主要探究強烈塑性變形誘導表面納米結構及變形層對滲硅行為的促進作用，通過討論滲層的形成、組成及厚度變化，利用反應熱力學和擴

4、散動力學分析其SMAT后滲硅行為的變化，討論不同滲硅時間、溫度等參數對其表面形貌、相組成和滲層質量的影響，從而得到以下結果：
　　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，表面粗糙度有利于促進滲硅初期的表面擴散使得滲層厚度增加，并且增強滲層與基體結合力。
　　2、滲硅后表面得到單相Fe3Si，根據反應擴散速率常數k值，得到SMAT對滲硅行為的促進作用；同樣SM

5、AT可降低反應擴散激活能從而促進Fe-Si互擴散反應進行。通過分析SMAT時間與滲硅時間對滲層的影響，發(fā)現溫度是滲層厚度的決定因素；SMAT會因為溫度升高對滲硅的促進作用降低甚至消失。
　　3、SMAT處理促進滲硅行為的機制為：
　?。?）變形層可以為擴散提供短程通道，相比于粗晶體擴散溫度更低，可以實現快速擴散，提高滲硅層厚度；
　　（2）變形層由于SMAT儲存的能量可以為擴散提供足夠的驅動力，降低擴散激活能，促進滲硅

6、的進行。
　　4、從宏觀擴散速率、擴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使得試樣表面出現的微裂紋、孔隙等缺陷嚴重影響材料耐蝕性，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