硅在铁硅合金中扩散规律的研究

发布时间：2017-09-24 08:35

  本文关键词：硅在铁硅合金中扩散规律的研究

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【摘要】：硅钢是电力、电子和军事工业不可或缺的软磁材料,而6.5wt%硅钢更是被称为“钢铁工艺品”。但一旦硅钢硅含量达到6.5wt%时,其韧性、延展性极低,通过常规的轧制方法无法生产,利用CVD技术制备6.5wt%硅钢是当今唯一实现了工业化生产的工艺技术。本文以CVD技术为基础,在研究上述生产方法的过程中,研究了硅的渗透速率和必要扩散时间的规律,分析了硅铁合金的扩散及其影响因素,得到了抑制由Kirkendall效应引起孔洞生成的办法,为这种材料的工业化生产打下基础。本文对高温渗硅和扩散处理进行了研究,确定了渗硅速率一般受四个要素影响：随渗硅温度、反应气体或者反应气体流量、带钢厚度的增大而增大,但达到一定值后,渗硅速率都会趋于饱和,不再增长,且渗硅速率最大值与带钢厚度成反比；确定了必要扩散处理时间与带钢厚度的平方呈线性关系。为了更好地了解硅铁合金的扩散规律,本文分析了硅铁合金扩散的影响因素以及硅铁相的扩散机制,制备了硅铁合金扩散偶并进行高温扩散实验,利用EDS检测技术测得了硅铁合金中硅含量分布随时间的变化规律,并利用Matano法求得1000～1200℃下,硅含量在4～14wt%的硅铁合金的互扩散系数,求得了相应的互扩散激活能和频率因子。本文还分析了Kirkendall孔洞生成是由于硅、铁元素相互渗透时扩散速率相差较大,导致空位聚集而形成孔洞。确定了孔洞一般在硅含量为12wt%的位置处形成,且不会随扩散处理而移动。对不同渗硅温度、反应气体浓度下的高硅钢断面进行SEM观察,得到以下结论：降低渗硅处理的温度无法解决孔洞生成的问题,而控制反应气体浓度能显著地减小孔洞尺寸以及减少孔洞数量；扩散处理可以消除尺寸较小的孔洞。本文还计算了孔洞生成以及不生成时的渗硅通量Jreac和扩散通量Jdiff,获得了能够抑制孔洞生成的判定式,即满足Jreac≤3Jdiff孔洞不会生成或可以通过扩散处理消除。
【关键词】：6.5wt%硅钢 扩散规律 Kirkendall效应 抑制孔洞
【学位授予单位】：华东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG142
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-28
• 1.1 课题背景11-12
• 1.2 现有生产技术及其缺陷12-14
• 1.3 利用CVD技术的高硅钢制备的研究进展14-15
• 1.4 硅铁相的特征与扩散机制15-19
• 1.4.1 原子在固体中的扩散及其扩散系数15-16
• 1.4.2 α_1相的结构特点16-18
• 1.4.3 铁硅合金的扩散行为18-19
• 1.5 互扩散系数的计算方法19-24
• 1.5.1 常用的扩散系数测定方法19-24
• 1.6 Kirkendall效应及孔洞研究现状24-25
• 1.7 Kirkendall孔洞对高硅钢性能的影响25-26
• 1.7.1 对组织结构的影响25-26
• 1.7.2 对磁性能的影响26
• 1.8 本文研究内容26-28
• 第2章 渗硅和扩散处理的要求28-39
• 2.1 渗硅扩散处理装置介绍28-32
• 2.1.1 反应气体生成装置28-31
• 2.1.2 渗硅扩散区域31-32
• 2.2 渗硅处理的条件32-35
• 2.2.1 实验步骤和带钢试样准备32-33
• 2.2.2 温度对渗硅速率的影响33-34
• 2.2.3 反应气体的浓度和流量对渗硅速率的影响34-35
• 2.3 高温扩散处理的条件35-38
• 2.3.1 高温扩散处理对高硅钢性能的影响36-38
• 2.3.2 带钢的厚度对高温扩散处理时间的影响38
• 2.4 本章小结38-39
• 第3章 渗硅和扩散处理的动力学分析及影响因素39-49
• 3.1 对渗硅处理的动力学分析39-40
• 3.2 扩散过程的动力学分析40-41
• 3.3 影响扩散效果的因素41-45
• 3.3.1 温度对扩散速率的影响41-42
• 3.3.2 原子浓度对扩散速率的影响42
• 3.3.3 晶体结构和晶体缺陷对扩散速率的影响42-44
• 3.3.4 第三类元素(杂质)对扩散速率的影响44-45
• 3.4 Kirkendall效应产生孔洞的机理分析45-48
• 3.4.1 孔洞观察及分析45-46
• 3.4.2 产生Kirkendall孔洞的原理分析46-47
• 3.4.3 影响Kirkendall孔洞产生的各类因素47-48
• 3.5 本章小结48-49
• 第4章 硅铁合金扩散系数的计算49-58
• 4.1 铁硅合金扩散偶的模型49-50
• 4.2 修正Matano图解法50-52
• 4.3 α-Fe相中元素互扩散系数的计算52-57
• 4.3.1 制备扩散偶52-54
• 4.3.2 互扩散系数的计算结果54-57
• 4.4 本章小结57-58
• 第5章 渗硅扩散时的Kirkendall孔洞及其影响因素58-68
• 5.1 渗硅扩散时的Kirkendall孔洞58-60
• 5.1.1 脆性断裂断口试样制备58
• 5.1.2 孔洞位置研究58-60
• 5.2 渗硅处理温度对孔洞的影响60-62
• 5.3 反应气体中SiCl_4浓度对孔洞的影响62-63
• 5.4 扩散处理对孔洞的影响63-64
• 5.5 抑制Kirkendall孔洞产生的方法64-67
• 5.6 本章小结67-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68-69
• 6.2 展望69-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-75
• 攻读硕士学位期间的学术成果75

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前9条

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本文编号：910423