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工业纯铁是钢的一种,其化学成分主要是铁,杂质总含量<0.2%及含碳量在0.02%~0.04%的纯铁。含碳量不超过0.0218%的纯铁,亦称锭铁。纯度可达99.8%99.9%,低于电解铁,故其强度、硬度、弹性系数均比电解铁高,但塑性则较低。工业纯铁用平炉生产,氧化期特长,以除去碳等杂质,故成本很高

 

材料介绍:

工业纯铁是钢的一种,其化学成分主要是铁,含量在99.50%99.90%,含碳量在0.04%以下,其他元素愈少愈好。因为它实际上还不是真正的纯铁,所以称这一种接近于纯铁的钢为工业纯铁。一般工业纯铁质地特别软,韧性特别大,电磁性能很好。常见的有两种规格,一种是是作为深冲材料的,可以冲压成极复杂的形状;另一种是作为电磁材料的,有高的感磁性的低的抗磁性。

特点;

工业纯铁是用于冶炼精密合金、高温合金、超低碳不锈钢、电热合金等重要的原材料。

  工业纯铁主要由电弧炉、氧气转炉、电弧炉加炉外真空脱碳、氧气转炉加炉外真空脱碳等方法生产。不同工艺生产的工业纯铁各具特点:

  1.电弧炉纯铁的特点:是早生产纯铁的方法低含碳量为0.025%,含氮量较高,受石墨电极增碳的影响,不能生产更低含碳量的纯铁。

  2.氧气转炉纯铁的特点:可以生产含碳量小于0.01%的低碳纯铁,但其含氧量高,含氮量较低,只能生产品质一般的工业纯铁。

  3.电弧炉或氧气转炉与炉外精炼双联法生产高品质纯铁的特点:纯铁含碳量为0.005%,磷、硫、氧、氮以及非金属夹杂物含量低,是目前品质好的纯铁,国内太钢、宝钢、武钢、抚钢等都可以生产高品质纯铁 [1]  

 

自纳米化:

采用HESP 的方法在工业纯铁表面形成了一层剧烈的塑性变形层,从表面往基体延伸的过程中,变形层的变形程度越来越小,整个剧烈塑性变形层具有3 个明显的特征外层已看不出晶界,整个变形层连成一片;中间是条纹状的剧烈变形层,条纹之间有明显的界面;第3 层是剧烈变形层和基体的过渡带,晶粒变长。整个剧烈变形层与基体之间虽然存在过渡带,但无明显界面。

喷丸10 min 试样较原始试样的衍射峰发生了明显的宽化,衍射峰发生宽化的原因主要有3 个,即试验条件、晶粒细化以及微观畸变。

利用JADE 软件对喷丸10min 剧烈变形层晶粒大小和微观畸变进行计算,平均晶粒大小为34.6 nm;微观畸变为0.0273% [3]  

不锈钢及表征:

自纳米化层在长时间保温后并没有发生晶粒长大,这是由于纳米晶铁的热稳定温度在500 ℃以上,大量晶界的存在对元素的扩渗将起到增加扩散通道的作用。

从表面往内部延伸的过程中元素含量急剧下降,在距表面7 μm CrNi 元素含量已经非常低。即便在表面由于扩散时间较短,合金元素还没有分布均匀,合金化层的成分与不锈钢成分有较大差异。因此,只能说形成了类似不锈钢成分的合金化改性层。在这里,将自纳米化处理的工业纯铁经过合金元素的扩渗处理,形成的类似不锈钢成分的合金化改性处理称之为不锈钢化。

在纯铁表面形成了Cr 含量很高的表面合金层。这说明经过表面自纳米化处理在纯铁表面得到的纳米结构层只有在热稳定温度以下才能发挥其晶界体积比高、晶界处于非平衡状态,为原子提供短路扩散通道的优势,实现原子的大量渗入。由于在500 ℃时Fe依然保持体心立方晶格, 而Cr 元素属于体心立方晶格,Ni 元素属于面心立方晶格,根据扩散理论,晶格匹配将有助于扩散,所以在纯铁不锈钢化层中,Cr 元素的含量远远高于Ni 元素。

元素扩渗过后衍射峰数量大量增加,说明经过合金元素扩渗以后,表面产生了新相。扩散后的试样表面的XRD 分析也显示在试样表面渗入了大量的合金元素。

耐蚀性:

表面自纳米化处理使得纯铁的腐蚀电位降低,而经过不锈钢化处理后腐蚀电位得到了提高。

测得自纳米化试样、原始试样和自纳米化后扩渗试样的自腐蚀电位分别是0.661,–0.597,–0.565 V。试样经表面自纳米化后,自腐蚀电位比原始试样更负,表面自纳米化后扩渗处理试样的自腐蚀电位较原始试样正移了0.032 V。这说明纯铁经表面自纳米化后,耐腐蚀性降低了,自纳米化后扩渗处理使纯铁的耐蚀性有所提高。

纯铁是活性金属,经表面自纳米化处理后,表面发生剧烈塑性变形,晶界数目急剧增加,塑性变形还导致大量缺陷的产生,使纯铁表面具有较高的储存能,使表面原子的活性提高,导致耐蚀性的降低。表面自纳米化试样经扩渗处理后,在高温下发生再结晶,使变形所致的残余应力被释放,畸变被*,系统的自由能降低,原子活性降低;同时,合金原子的渗入提高了表面的电极电位,使得纯铁的耐蚀性能提高 [1]  

总结:

1) 采用高能喷丸的方法,在0.6 MPa 压力下喷丸10 min,可在工业纯铁表面获得平均晶粒大小为34.6nm、微观畸变为0.0273%的自纳米化层。

2) 由于自纳米化纯铁含有大量晶界,为合金元素扩散提供了通道,自纳米化工业纯铁在500 ℃,通过外加50 MPa 压力,经过12 h 扩散, CrNi 元素快速扩渗到工业纯铁表面,在工业纯铁表面获得类似不锈钢成分的合金化改性层。

3) 经表面不锈钢化处理的工业纯铁自腐蚀电位达到–0.565 V,要高于原始试样及自纳米化处理试样,自纳米化后不锈钢处理使纯铁的耐蚀性有所提高 [3]  


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