工業純鐵

工業純鐵是鋼的一種，其化學成分主要是鐵，含量在99.50%－99.90%，含碳量在0.04%以下，其他元素愈少愈好。因為它實際上還不是真正的純鐵，所以稱這一種接近於純鐵的鋼為工業純鐵。一般工業純鐵質地特別軟，韌性特別大，電磁性能很好。常見的有兩種規格，一種是是作為深衝材料的，可以衝壓成極複雜的形狀；另一種是作為電磁材料的，有高的感磁性的低的抗磁性。

工業純鐵是用於冶煉精密合金、高温合金、超低碳不鏽鋼、電熱合金等重要的原材料。

工業純鐵主要由電弧爐、氧氣轉爐、電弧爐加爐外真空脱碳、氧氣轉爐加爐外真空脱碳等方法生產。不同工藝生產的工業純鐵各具特點：

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

2.氧氣轉爐純鐵的特點：可以生產含碳量小於0.01%的低碳純鐵，但其含氧量高，含氮量較低，只能生產品質一般的工業純鐵。

3.電弧爐或氧氣轉爐與爐外精煉雙聯法生產高品質純鐵的特點：純鐵含碳量為0.005%,磷、硫、氧、氮以及非金屬夾雜物含量低，是目前品質最好的純鐵，國內太鋼、寶鋼、武鋼、撫鋼等都可以生產高品質純鐵 ^[1]  。

不鏽鋼具有良好的耐蝕性，是國民經濟和日常生活中不可缺少的特殊性能鋼種。隨着國民經濟的發展，不鏽鋼的產量和消費量將不斷增加。不鏽鋼的生產需要消耗大量的Ni、Cr、Ti、Nb 等有色金屬資源，同時，需要消耗大量的能源，還對環境造成較大的污染。而從實際的觀點來看，在不鏽鋼構件中，只有表面層的合金元素才能發揮其耐蝕的作用，其它部分的合金元素被浪費了，特別是對於截面尺寸較大的構件來説，所浪費的合金元素更多。因此，通過對廉價材料（如工業純鐵和低碳鋼等）進行表面合金化，在表面一定厚度內形成一層類似不鏽鋼成分的合金滲層，用以替代整體的不鏽鋼材料，既可以滿足工程構件對腐蝕性的要求，又大大地減少了昂貴合金元素的用量。

廉價材料不鏽鋼化是靠表面合金化來實現的。目前表面合金化主要有兩種方法，第一類是採用表面冶金的方法；第二類是採用固態滲金屬的方法。第一種方法易產生較多的冶金缺陷，組織結構、成分的不均勻性將存在於表面，致使材料表面的耐腐蝕性和力學性能降低；對於固態滲金屬的方法來説，雖然不會形成熔化區，但是為了能使被滲元素能充分的擴散，滲金屬工藝需要在高温下進行，並且保温時間長，這將導致基材晶粒尺寸的長大和性能的退化，同時在隨後的冷卻過程中，容易導致工件的變形，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性能，降低表面合金化的温度、縮短合金化處理時間是關鍵。根據經典的擴散理論，為了實現原子的定向遷移，除了需要存在化學位梯度外，還需要有足夠的擴散通道和克服擴散過程中晶格對原子擴散所形成的勢壘。經表面自納米化處理的材料，晶界、位錯、空位等非平衡缺陷的數量急劇增加，而且不含孔洞、雜質等缺陷，適合用於擴散研究。從擴散動力學來説，這些缺陷為表面合金化元素的互擴散提供了短程擴散的通道，提高了擴散係數、降低了擴散激活能，使得低温、快速表面合金化過程得以進行。

運用高能噴丸法在工業純鐵表面製備一層自納米化層，在較低的温度下，利用其對擴散的促進作用，實現Cr、Ni 元素快速向純鐵表面擴滲，在純鐵表面形成類似不鏽鋼成分的合金化改性層，即實現工業純鐵的表面不鏽鋼化並對不鏽鋼化層的組織結構以及耐蝕性能進行表徵 ^[2]  。

採用HESP 的方法在工業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越小，整個劇烈塑性變形層具有3 個明顯的特徵：最外層已看不出晶界，整個變形層連成一片；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。整個劇烈變形層與基體之間雖然存在過渡帶，但無明顯界面。

噴丸10 min 試樣較原始試樣的衍射峯發生了明顯的寬化，衍射峯發生寬化的原因主要有3 個，即試驗條件、晶粒細化以及微觀畸變。

利用JADE 軟件對噴丸10min 劇烈變形層晶粒大小和微觀畸變進行計算，平均晶粒大小為34.6 nm；微觀畸變為0.0273% ^[3]  。

自納米化層在長時間保温後並沒有發生晶粒長大，這是由於納米晶鐵的熱穩定温度在500 ℃以上，大量晶界的存在對元素的擴滲將起到增加擴散通道的作用。

從表面往內部延伸的過程中元素含量急劇下降，在距表面7 μm 處Cr、Ni 元素含量已經非常低。即便在表面由於擴散時間較短，合金元素還沒有分佈均勻，合金化層的成分與不鏽鋼成分有較大差異。因此，只能説形成了類似不鏽鋼成分的合金化改性層。在這裏，將自納米化處理的工業純鐵經過合金元素的擴滲處理，形成的類似不鏽鋼成分的合金化改性處理稱之為不鏽鋼化。

在純鐵表面形成了Cr 含量很高的表面合金層。這説明經過表面自納米化處理在純鐵表面得到的納米結構層只有在熱穩定温度以下才能發揮其晶界體積比高、晶界處於非平衡狀態，為原子提供短路擴散通道的優勢，實現原子的大量滲入。由於在500 ℃時Fe依然保持體心立方晶格， 而Cr 元素屬於體心立方晶格，Ni 元素屬於面心立方晶格，根據擴散理論，晶格匹配將有助於擴散，所以在純鐵不鏽鋼化層中，Cr 元素的含量遠遠高於Ni 元素。

元素擴滲過後衍射峯數量大量增加，説明經過合金元素擴滲以後，表面產生了新相。擴散後的試樣表面的XRD 分析也顯示在試樣表面滲入了大量的合金元素 ^[2]  。

表面自納米化處理使得純鐵的腐蝕電位降低，而經過不鏽鋼化處理後腐蝕電位得到了提高。

測得自納米化試樣、原始試樣和自納米化後擴滲試樣的自腐蝕電位分別是–0.661，–0.597，–0.565 V。試樣經表面自納米化後，自腐蝕電位比原始試樣更負，表面自納米化後擴滲處理試樣的自腐蝕電位較原始試樣正移了0.032 V。這説明純鐵經表面自納米化後，耐腐蝕性降低了，自納米化後擴滲處理使純鐵的耐蝕性有所提高。

純鐵是活性金屬，經表面自納米化處理後，表面發生劇烈塑性變形，晶界數目急劇增加，塑性變形還導致大量缺陷的產生，使純鐵表面具有較高的儲存能，使表面原子的活性提高，導致耐蝕性的降低。表面自納米化試樣經擴滲處理後，在高温下發生再結晶，使變形所致的殘餘應力被釋放，畸變被消除，系統的自由能降低，原子活性降低；同時，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]  。

1) 採用高能噴丸的方法，在0.6 MPa 壓力下噴丸10 min，可在工業純鐵表面獲得平均晶粒大小為34.6nm、微觀畸變為0.0273%的自納米化層。

2) 由於自納米化純鐵含有大量晶界，為合金元素擴散提供了通道，自納米化工業純鐵在500 ℃，通過外加50 MPa 壓力，經過12 h 擴散， Cr、Ni 元素快速擴滲到工業純鐵表面，在工業純鐵表面獲得類似不鏽鋼成分的合金化改性層。

3) 經表面不鏽鋼化處理的工業純鐵自腐蝕電位達到–0.565 V，要高於原始試樣及自納米化處理試樣，自納米化後不鏽鋼處理使純鐵的耐蝕性有所提高 ^[3]  。