热浸扩散制备Fe-Cu合金/碳钢复合材料的基础研究

Adding copper into steel can produce special copper steel material; however, it will increase both the production complexicity and cost. Carbon steel has high tenacity, ductility and workability. It is also easy to produce and has low cost. However, it is easy to be corroded and scrapped. To overcome the shortcoming of these two materials and to combine their advantages, this study intends to produce Fe-Cu alloy/carbon-steel composite materials through hot dip diffusion method. In this project, we first research on the influence of plating agent ratio, copper liquid temperature and hot-dipped time on the surface morphology of hot-dipped plating copper layer, the thickness of the copper layer and copper diffusion layer, as well as on the section morphology and microstructure, and the phase state of copper in matrix carbon steel; we then research the effects of diffusion annealing temperature and time, carbon content of carbon steel, sulfur content of carbon steel, phosphorus content of carbon steel on the diffusion depth of copper in αFe and γFe, the morphology and microstructure of diffusion layer, and the distribution of copper content in diffusion layer to calculate the diffusion coefficient and to determine diffusion activation energy; we also compare the phase state of copper, the phase state of iron and the microstructure of the material at different copper proportions; lastly, we study the hardness, bending strength, corrosion resistance, electrical conductivity and magnetic properties of the composites with different diffusion layer thickness, different Fe and Cu content distribution, different phases of Fe and Cu and different carbon content. the scientific problems are solved. The solid foundation is laid for practical application.

铜加入钢中，可以形成具有特殊功能的含铜钢，但生产、加工工艺难度增大、成本升高。碳钢具有良好的塑性、韧性和加工性能，且易生产、价格便宜，但易被腐蚀报废。项目拟采用热浸扩散法制备Fe-Cu合金/碳钢复合材料，克服两种材料的不足，实现优势互补。通过研究助镀剂配比、铜液温度、热浸镀时间对热浸镀铜层的表面形貌、纯铜层及铜扩散层的厚度、断面显微组织、铜在基体碳钢中相态的影响；研究扩散退火温度、时间、碳钢中碳、硫、磷含量等对铜分别在αFe和γFe中扩散时的扩散深度、扩散层断面形貌、显微组织、扩散层铜含量分布的影响，计算扩散系数、求出扩散激活能、确定扩散机理；研究碳钢中不同铜含量时铜的相态、铁的相态、材料的显微组织；研究复合材料在不同扩散层厚度、不同Fe和Cu含量分布、Fe和Cu不同相态、不同碳含量等条件下的硬度、抗弯强度、耐腐蚀性能、导电和导磁性能；解决其中的科学问题，为实际应用奠定坚实基础。

项目研究了热浸镀条件以及扩散退火条件对复合材料的表面形貌、纯铜层及铜扩散层的厚度、断面显微组织、铜在基体碳钢中相态的影响，并进行了动力学解析；研究了复合材料在不同条件下的硬度、抗弯强度、耐腐蚀性能。结果表明：热浸镀铜镀层厚度和表面质量随热浸镀时间的延长和热浸温度的升高呈现先增厚、变好，而后减薄、变坏的变化规律；界面处铜铁的互扩散系数随热浸镀温度升高而增大；随Cu元素的浓度的增加呈现先增加后减小的变化，互扩散激活能在190.49~199.45 kJ·mol-1范围；在相同的扩散退火温度下，随着Cu浓度的增加，碳钢中的Cu原子的扩散系数减小；在相同的Cu浓度下，随着退火温度的升高，铜的扩散系数增加；Cu原子在低温区FCC+BCC相中的扩散激活能在90~108KJ/mol之间，高温区FCC相中的扩散激活能在126~167KJ/mol之间；扩散退火处理会造成碳钢中晶粒长大，铜在碳钢中的扩散主要沿晶界进行，且铜的扩散会抑制基体晶粒的长大，造成晶粒细化；复合材料的耐腐蚀性、抗弯强度、硬度随复合材料表面铜含量的升高、扩散层厚度的增厚而增加。. 利用lammps分子动力学模拟软件以及ovito可视化分析软件，模拟分析了热浸镀铜工艺不同情况下液态铜与固态铁界面原子运动规律和铜铁复合界面的形成机制，同时也模拟分析了不同条件下含铜钢中铜的析出长大规律以及对材料力学性能的影响，结果表明：碳钢热浸镀铜过程界面形成分四步：首先是熔融的液态铜与固态铁的浸润过程；其次是液态铜扩散进入固态铁，同时固态铁溶解进入液态铜；第三是扩散进入液态铜的铁往液态铜深部的扩散，固态铜往固态铁深部的扩散，增厚铜铁复合界面；最后是形成的界面的冷却凝固固化。含铜钢中空位、晶界、位错等缺陷对钢中铜的析出、长大有明显的影响，而铜的析出长大又对钢的力学性能产生明显的影响。