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钢的激光辅助渗硅过程与组织性能

董丹阳  
【摘要】: 硅钢是一种含碳量很低的Fe-Si软磁合金,是发展电力和电讯工业的基础材料。随着硅钢中Si含量的增加,其电阻率和最大磁导率增大、矫顽力和铁损降低,软磁性能提高。然而随着Si含量的增加,其加工性能也变差。高硅钢优异的软磁性能吸引着人们进行大量的研究和开发工作,一些新的高硅钢制备工艺如特殊轧制法、快速凝固法、喷射成型法、化学气相沉积法等相继展开,它们有其优点,同时也存在着方法本身带来的技术和成本方面的局限性。利用激光熔覆技术制备的涂层具有与基体呈冶金结合、外观形貌平整、微观组织致密、化学组成均匀、工艺参数容易控制、制备效率高、无污染、低能耗、成品率高等优点,显示出良好的应用前景。本文以提高硅钢表面硅含量为目的,提出激光辅助渗硅新技术,在低硅钢表面首先利用激光熔覆技术制备出质量良好的高Si涂层,再经过随后的退火处理,通过控制退火温度和保温时间制备Si成分均匀的高硅钢或Si成分呈梯度分布的高硅浓度梯度硅钢,为高硅钢片的开发研制提供一条新的技术路线,对于发展高硅钢制造技术和激光应用技术都具有十分重要的意义。 本文从熔覆材料体系设计、熔覆工艺探索和最优化等方面,进行了系统的实验研究;利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、透射电子显微镜(TEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)和穆斯堡尔谱仪(MS)等对优化条件下制备的高Si涂层的形貌、微观组织、相组成、成分和显微硬度分布进行系统的表征;运用Miedema和Toop热力学模型结合熔覆过程中温度场的分布对熔池内Fe-Si-C熔体进行热力学计算,为控制熔覆工艺参数提供重要的理论依据;探索随后的扩散退火工艺,对高温扩散退火后试样组织、相组成、硬度和成分的分布进行观察和分析,并利用振动样品磁强计(VSM)对退火后试样的室温磁性能进行了检测和分析。 在低硅钢基体表面预置不同厚度的Fe和Si的混合粉末,利用Nd:YAG脉冲激光进行单道和多道搭接熔覆。在探索和调整工艺参数的过程中发现,激光功率和扫描速度是影响熔覆层质量的重要因素。激光功率过低,涂层与基体之间形成非冶金结合,裂纹等缺陷多;激光功率过高,熔覆涂层表面易发生氧化现象,且涂层被基体稀释严重。增大激光扫描速度有助于熔覆层组织的细化和均匀性的提高,同时,熔覆层厚度减小,稀释率减小。对于不同厚度的预置涂层来说,制备表面质量良好、无裂纹和气孔等缺陷的熔覆涂层存在所需的最小激光比能量值。比能量过高,熔覆材料烧损过多,不能形成平整的熔覆层,且涂层稀释现象严重;比能量过低,不能满足冶金反应所需的能量,熔覆层与基体之间不能形成冶金结合。 对优化参数下制备的单道和多道搭接熔覆涂层的表面形貌和微观组织的分析表明,熔覆涂层表面质量良好,无裂纹和气孔等缺陷,组织致密,与基体呈良好的冶金结合。自熔覆试样表面起,单道和多道搭接熔覆层的显微组织可分为熔覆区、界面结合区和热影响区。凝固组织受熔池内液相成分和凝固过程控制参数的影响,在熔覆层与基体的结合界面(即熔池底部)处,凝固组织以平面晶形式外延生长;随着距离结合界面距离的增加,显微组织由受热流方向控制而垂直于结合界面的柱状晶过渡到树枝晶,组织细化;熔覆层顶部为细小的枝晶组织,生长方向紊乱。在熔覆层中,垂直于结合界面方向存在一定程度的组织不均匀性,而同一高度不同部位的枝晶形貌无明显变化,组织是均匀的。热影响区是细小的淬火马氏体组织,基体仍保持原始铁素体组织。由于多道搭接熔覆过程中存在激光的二次扫描现象,故搭接区的枝晶尺寸较大且生长方向较紊乱。 测定优化参数下制备的两种熔覆涂层的室温Mossbauer谱,涂层超精细结构的分析结果表明,一种含Si量最高可达9.1wt.%左右的Fe-Si涂层中,存在相对含量分别为69.6%、13.0%和17.4%的α-Fe固溶体、Fe-Si化合物和y-Fe固溶体等三种类型的相,其中含Si主要相以A2型(体心立方)的a-Fe(Si)无序固溶体形式存在;另一种含Si量最高可达15.20wt.%左右的Fe-Si涂层中,存在相对含量分别为93.9%、5.8%和0.3%的Fe3Si、Fe-Si化合物和γ-Fe固溶体等三种类型的相,其中含Si主要相以D03型(面心立方超结构)的Fe3Si有序固溶体形式存在。 熔覆涂层的Si含量远远高于低硅钢基体的Si含量,且Si含量在熔覆区内变化不大,结合区和热影响区的Si含量呈下降趋势;熔覆层显微硬度分布曲线与Si含量分布曲线具有相同的变化趋势,涂层的硬度远远高于基体的硬度,其硬度提高的主要原因是Si原子的固溶强化作用和激光处理后组织的细晶强化作用。 在激光熔覆过程中,整个涂层处于高温熔化状态,形成Fe-Si-C合金熔池。垂直激光束扫描方向的熔池内Si活度以激光束入射方向为轴对称分布,而熔池内沿激光束扫描方向的前方Si的等活度线密集,后部Si的等活度线密度相对较低;熔池底面与表面激光束作用中心位置相比,Si活度低,这是熔覆层底部形成多种硅化物以及形成良好冶金结合的重要原因。 将Si含量约为15.20wt.%的高Si熔覆涂层试样在1100℃进行不同时间的退火处理。高温扩散退火处理后,制备出由单一α-Fe(Si)固溶体相组成的、横截面上显微硬度与Si含量呈梯度分布的高硅浓度梯度硅钢。搭接熔覆和退火处理后的样品均具有室温铁磁性,其中,1100℃退火处理6小时的试样表面Si含量为5.94wt.%,心部Si含量为3.68wt.%,与Fe-1Si基体比较,其具有更高的比饱和磁化强度(235.06emu/g)和更低的矫顽力(1.5395G),直流磁性能优于原始Fe-1Si低硅钢板。


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