工業(yè)純鐵改性研究

不銹鋼具有良好的耐蝕性，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和日常生活中不可缺少的特殊性能鋼種。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，不銹鋼的產(chǎn)量和消費(fèi)量將不斷增加。不銹鋼的生產(chǎn)需要消耗大量的Ni、Cr、Ti、Nb 等有色金屬資源，同時(shí)，需要消耗大量的能源，還對(duì)環(huán)境造成較大的污染。而從實(shí)際的觀點(diǎn)來(lái)看，在不銹鋼構(gòu)件中，只有表面層的合金元素才能發(fā)揮其耐蝕的作用，其它部分的合金元素被浪費(fèi)了，特別是對(duì)于截面尺寸較大的構(gòu)件來(lái)說，所浪費(fèi)的合金元素更多。因此，通過對(duì)廉價(jià)材料（如工業(yè)純鐵和低碳鋼等）進(jìn)行表面合金化，在表面一定厚度內(nèi)形成一層類似不銹鋼成分的合金滲層，用以替代整體的不銹鋼材料，既可以滿足工程構(gòu)件對(duì)腐蝕性的要求，又大大地減少了昂貴合金元素的用量。

廉價(jià)材料不銹鋼化是靠表面合金化來(lái)實(shí)現(xiàn)的。目前表面合金化主要有兩種方法，第一類是采用表面冶金的方法；第二類是采用固態(tài)滲金屬的方法。第一種方法易產(chǎn)生較多的冶金缺陷，組織結(jié)構(gòu)、成分的不均勻性將存在于表面，致使材料表面的耐腐蝕性和力學(xué)性能降低；對(duì)于固態(tài)滲金屬的方法來(lái)說，雖然不會(huì)形成熔化區(qū)，但是為了能使被滲元素能充分的擴(kuò)散，滲金屬工藝需要在高溫下進(jìn)行，并且保溫時(shí)間長(zhǎng)，這將導(dǎo)致基材晶粒尺寸的長(zhǎng)大和性能的退化，同時(shí)在隨后的冷卻過程中，容易導(dǎo)致工件的變形，甚至開裂。

因此，為了保證滲層和基材具有最佳的耐腐蝕性能和力學(xué)性能，降低表面合金化的溫度、縮短合金化處理時(shí)間是關(guān)鍵。根據(jù)經(jīng)典的擴(kuò)散理論，為了實(shí)現(xiàn)原子的定向遷移，除了需要存在化學(xué)位梯度外，還需要有足夠的擴(kuò)散通道和克服擴(kuò)散過程中晶格對(duì)原子擴(kuò)散所形成的勢(shì)壘。經(jīng)表面自納米化處理的材料，晶界、位錯(cuò)、空位等非平衡缺陷的數(shù)量急劇增加，而且不含孔洞、雜質(zhì)等缺陷，適合用于擴(kuò)散研究。從擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)來(lái)說，這些缺陷為表面合金化元素的互擴(kuò)散提供了短程擴(kuò)散的通道，提高了擴(kuò)散系數(shù)、降低了擴(kuò)散激活能，使得低溫、快速表面合金化過程得以進(jìn)行。

運(yùn)用高能噴丸法在工業(yè)純鐵表面制備一層自納米化層，在較低的溫度下，利用其對(duì)擴(kuò)散的促進(jìn)作用，實(shí)現(xiàn)Cr、Ni 元素快速向純鐵表面擴(kuò)滲，在純鐵表面形成類似不銹鋼成分的合金化改性層，即實(shí)現(xiàn)工業(yè)純鐵的表面不銹鋼化并對(duì)不銹鋼化層的組織結(jié)構(gòu)以及耐蝕性能進(jìn)行表征 。

工業(yè)純鐵是用于冶煉精密合金、高溫合金、超低碳不銹鋼、電熱合金等重要的原材料。

工業(yè)純鐵主要由電弧爐、氧氣轉(zhuǎn)爐、電弧爐加爐外真空脫碳、氧氣轉(zhuǎn)爐加爐外真空脫碳等方法生產(chǎn)。不同工藝生產(chǎn)的工業(yè)純鐵各具特點(diǎn)：

1.電弧爐純鐵的特點(diǎn)：是最早生產(chǎn)純鐵的方法，最低含碳量為0.025%，含氮量較高，受石墨電極增碳的影響，不能生產(chǎn)更低含碳量的純鐵。

2.氧氣轉(zhuǎn)爐純鐵的特點(diǎn)：可以生產(chǎn)含碳量小于0.01%的低碳純鐵，但其含氧量高，含氮量較低，只能生產(chǎn)品質(zhì)一般的工業(yè)純鐵。

3.電弧爐或氧氣轉(zhuǎn)爐與爐外精煉雙聯(lián)法生產(chǎn)高品質(zhì)純鐵的特點(diǎn)：純鐵含碳量為0.005%,磷、硫、氧、氮以及非金屬夾雜物含量低，是目前品質(zhì)最好的純鐵，國(guó)內(nèi)太鋼、寶鋼、武鋼、撫鋼等都可以生產(chǎn)高品質(zhì)純鐵 。

工業(yè)純鐵是鋼的一種，其化學(xué)成分主要是鐵，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。因?yàn)樗鼘?shí)際上還不是真正的純鐵，所以稱這一種接近于純鐵的鋼為工業(yè)純鐵。一般工業(yè)純鐵質(zhì)地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。常見的有兩種規(guī)格，一種是是作為深沖材料的，可以沖壓成極復(fù)雜的形狀；另一種是作為電磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。

采用HESP 的方法在工業(yè)純鐵表面形成了一層劇烈的塑性變形層，從表面往基體延伸的過程中，變形層的變形程度越來(lái)越小，整個(gè)劇烈塑性變形層具有3 個(gè)明顯的特征：最外層已看不出晶界，整個(gè)變形層連成一片；中間是條紋狀的劇烈變形層，條紋之間有明顯的界面；第3 層是劇烈變形層和基體的過渡帶，晶粒變長(zhǎng)。整個(gè)劇烈變形層與基體之間雖然存在過渡帶，但無(wú)明顯界面。

噴丸10 min 試樣較原始試樣的衍射峰發(fā)生了明顯的寬化，衍射峰發(fā)生寬化的原因主要有3 個(gè)，即試驗(yàn)條件、晶粒細(xì)化以及微觀畸變。

利用JADE 軟件對(duì)噴丸10min 劇烈變形層晶粒大小和微觀畸變進(jìn)行計(jì)算，平均晶粒大小為34.6 nm；微觀畸變?yōu)?.0273% 。

自納米化層在長(zhǎng)時(shí)間保溫后并沒有發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，這是由于納米晶鐵的熱穩(wěn)定溫度在500 ℃以上，大量晶界的存在對(duì)元素的擴(kuò)滲將起到增加擴(kuò)散通道的作用。

從表面往內(nèi)部延伸的過程中元素含量急劇下降，在距表面7 μm 處Cr、Ni 元素含量已經(jīng)非常低。即便在表面由于擴(kuò)散時(shí)間較短，合金元素還沒有分布均勻，合金化層的成分與不銹鋼成分有較大差異。因此，只能說形成了類似不銹鋼成分的合金化改性層。在這里，將自納米化處理的工業(yè)純鐵經(jīng)過合金元素的擴(kuò)滲處理，形成的類似不銹鋼成分的合金化改性處理稱之為不銹鋼化。

在純鐵表面形成了Cr 含量很高的表面合金層。這說明經(jīng)過表面自納米化處理在純鐵表面得到的納米結(jié)構(gòu)層只有在熱穩(wěn)定溫度以下才能發(fā)揮其晶界體積比高、晶界處于非平衡狀態(tài)，為原子提供短路擴(kuò)散通道的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)原子的大量滲入。由于在500 ℃時(shí)Fe依然保持體心立方晶格， 而Cr 元素屬于體心立方晶格，Ni 元素屬于面心立方晶格，根據(jù)擴(kuò)散理論，晶格匹配將有助于擴(kuò)散，所以在純鐵不銹鋼化層中，Cr 元素的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于Ni 元素。

元素?cái)U(kuò)滲過后衍射峰數(shù)量大量增加，說明經(jīng)過合金元素?cái)U(kuò)滲以后，表面產(chǎn)生了新相。擴(kuò)散后的試樣表面的XRD 分析也顯示在試樣表面滲入了大量的合金元素 。

表面自納米化處理使得純鐵的腐蝕電位降低，而經(jīng)過不銹鋼化處理后腐蝕電位得到了提高。

測(cè)得自納米化試樣、原始試樣和自納米化后擴(kuò)滲試樣的自腐蝕電位分別是–0.661，–0.597，–0.565 V。試樣經(jīng)表面自納米化后，自腐蝕電位比原始試樣更負(fù)，表面自納米化后擴(kuò)滲處理試樣的自腐蝕電位較原始試樣正移了0.032 V。這說明純鐵經(jīng)表面自納米化后，耐腐蝕性降低了，自納米化后擴(kuò)滲處理使純鐵的耐蝕性有所提高。

純鐵是活性金屬，經(jīng)表面自納米化處理后，表面發(fā)生劇烈塑性變形，晶界數(shù)目急劇增加，塑性變形還導(dǎo)致大量缺陷的產(chǎn)生，使純鐵表面具有較高的儲(chǔ)存能，使表面原子的活性提高，導(dǎo)致耐蝕性的降低。表面自納米化試樣經(jīng)擴(kuò)滲處理后，在高溫下發(fā)生再結(jié)晶，使變形所致的殘余應(yīng)力被釋放，畸變被消除，系統(tǒng)的自由能降低，原子活性降低；同時(shí)，合金原子的滲入提高了表面的電極電位，使得純鐵的耐蝕性能提高 。

1) 采用高能噴丸的方法，在0.6 MPa 壓力下噴丸10 min，可在工業(yè)純鐵表面獲得平均晶粒大小為34.6nm、微觀畸變?yōu)?.0273%的自納米化層。

2) 由于自納米化純鐵含有大量晶界，為合金元素?cái)U(kuò)散提供了通道，自納米化工業(yè)純鐵在500 ℃，通過外加50 MPa 壓力，經(jīng)過12 h 擴(kuò)散， Cr、Ni 元素快速擴(kuò)滲到工業(yè)純鐵表面，在工業(yè)純鐵表面獲得類似不銹鋼成分的合金化改性層。

3) 經(jīng)表面不銹鋼化處理的工業(yè)純鐵自腐蝕電位達(dá)到–0.565 V，要高于原始試樣及自納米化處理試樣，自納米化后不銹鋼處理使純鐵的耐蝕性有所提高 。

鐵的物理性質(zhì)鐵的分類

灰口鑄鐵，白口鑄鐵，可鍛鑄鐵，鑄鋼，工業(yè)純鐵

鐵的物理性質(zhì)對(duì)應(yīng)性質(zhì)

灰口鑄鐵6.6~7.4

白口鑄鐵7.4~7.72

可鍛鑄鐵7.2~7.43

鑄鋼7.8

工業(yè)純鐵7.8759

通常為7.86 7.9就行了

1 該鋼主要用來(lái)替代10,20鋼及工業(yè)純鐵等冷擠壓成型精密塑料模。2 用于制造高精度，高鏡面的，型腔復(fù)雜的塑料模具。3 特別適合于冷塑性變形。