姚彦桃
（河北理工大学轻工学院07q轧钢1 35 ）
摘要：本文介绍了渗硅工艺新进展—6.5%Si高硅钢，它有着优良的软磁性能，最适合用来制造高速高频电机、音频和高频变压器等；研究了固体渗硅，气体渗硅，液体渗硅等渗硅工艺和在实际生产中的应用情况，还研究了渗硅层组织，各渗层组织的性能，以及各个参数或因素对渗硅层厚度和性能的影响。 关键词：渗硅 渗层组织 性能
0前言
渗硅是指以硅原子渗入钢的表面层的过程。它是使钢的表面层合金化，以使工件表面具有某些合金钢、特殊钢的特性，如耐热、耐磨、抗氧化、耐腐蚀等。将金属工件放在含有渗入金属元素硅的渗剂中,加热到一定温度，保持适当时间后,渗剂热分解所产生的渗入元素的活性 原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。
1 渗硅工艺的新进展
6.5%Si高硅钢有着优良的软磁性能，最适合用来制造高速高频电机、音频和高频变压器等。该钢种采用水平专用连续渗硅生产线。6.5%Si硅钢涂布绝缘薄膜能降低电器噪音效果。经过试验测定，渗硅后的6.6%Si硅钢和含有5.7%Si、3.5%Si硅钢噪音对比，分别为45dBA、56dBA、70dBA以下[1]。
2 渗硅工艺
渗硅工艺可用固体法、液体法和气体法，应用较多的是固体粉末渗硅，此外还有真空渗硅、流动粒子炉渗硅、机械能助渗硅等。
2.1 固体渗硅
2.1.1 粉末法渗硅
固体渗硅常用粉末法，渗硅温度一般为950～1050℃，而且硅铁损耗量大[2]。供硅剂是硅铁，活化剂是氯化铵，填充剂用石墨、耐火土、氯化铝。如：80%硅铁+12%氯化铵+8%氯化铝，渗层多孔，孔隙率46%~54%，有减摩作用。在固体渗剂中加入一定量的氯化镁、氯化钙或氧化铁可减少、甚至消除渗硅层的孔隙，如80%硅铁+12%氯化铵+4%氯化镁+4%氯化钙，于1000~1050℃，保温3～6 h, 渗硅层厚度为0.10～0.15 mm,硬度为360HV,表面层致密无孔隙,抗蚀性明显提高，在10% HCl溶液中，比未渗硅的试样提高17倍。40%～60%硅铁+3%NH4Cl+38%石墨1050℃×4h，渗硅层厚度为0.9～1.1mm，渗剂不黏结。
硅粉＋3% NH4Cl,（900～1100）℃×4h，用于钛渗硅，形成0.05～0.127 mmTiSi2、Ti5Si4渗硅层。
粉末渗硅时，增加渗剂中的活化剂和硅含量或者延长渗硅时间，都会使渗层中的多孔区加厚。因此，要获得一定厚度的无孔渗层，必须选择适当工艺参数。
2.1.2真空渗硅
该法是将工件和硅粉置于刚玉坩埚中，在0.001～0.133Pa的真空条件下加热至1200℃，使
硅粉产生硅蒸气沉积在工件表面上，硅沉积层的硅原子与钢中的铁原子发生相向扩散，形成渗层。为防止高温工件与硅粉粘结，可将硅粉烧结成片，并保持工件与硅烧结片由一定得间隙（约1mm左右）。
2.1.3 流离床渗硅
将硅粉作为流态化粒子，用作为载体将碘蒸气输入流态床，同硅（高温下）反应生成硅的碘化物气体。碘化物气体与工件接触，活性硅原子沉积于工件表面并渗入工件内。硅粒在流态床中以无规则的流态化方式运动，因此从炉壁到零件表面都具有到的热导率，使整个流态床温度均匀（±5℃），工件能获得很均匀的渗层。目前，这种方法已在生产上应用。
2.2机械能助渗硅
山东大学用自己研制的设备和渗剂进行机械能助渗硅，将渗硅温度由常规的1000℃左右，降低至480～600℃，45钢540℃×4h获得60 um渗硅层，组织为Fe3Si相无孔的白亮层，含Si18%，硬度为700HV0.1。机械能助渗硅温度低、时间短、节能效果显著，很有应用前途。机械能助渗硅的相关结论[3]如下:
(1)机械能助渗硅是可行的，而且可实现Si-Cr共渗。将渗硅温度由常规的950～1050℃降低到480～540℃，具有十分显著的节能效果。
(2)使用自行研制的机械能助渗硅剂，520℃ ×4h精细雾化喷嘴下，可得到大于60um的渗硅层。
(3)机械能助渗硅层的结构是两层白亮层之间存在较窄的富碳层——贴片变压器黑带，内部白亮层有的逐渐变为黑白相间组织；渗层与基体之间存在一个富碳的过渡区。渗硅层组织致密，未发现明显的孔隙。
(4)机械能助渗硅的渗层表面硬度高达700HV0.1，由外向里逐渐降低，在过渡层降低到200Hv0.1；渗硅层的表面白亮层的硅含量(质量分数)为l8％左右，略高于常规落硅层的，符台耐蚀性要求。
(5)机械能助渗硅层表层为Fe3Si相。
2.3液体渗硅
内孔撑圆涨紧夹具高温液体渗硅是依靠盐浴中产生的活性硅原子进行的。在渗硅过程中，硅原子被钢的表面吸附，与铁反应生成渗硅层。
液体渗硅有电解法和非电解法。
非电解液体渗硅多以碱金属硅酸盐为基并加入硅粉、硅铁粉、硅钙合金粉末、碳化硅组成渗剂。渗硅过程有气体析出，因此盐浴炉上方应当家装抽风装置。非电解法常用的盐浴成分为65%（2/3 Na2SiO3便携式洒弹器+1/3 NaCl）混合盐+35% SiC，于950～1050℃保温4～6 h，渗硅层厚度为80～140um。
电解液体渗硅采用碱金属硅酸盐，但往往加入碱金属和碱土金属或其他物质的氯化物和氟化物，以提高硅酸盐的流动性，电流密度一般为0.1～0.3A/cm柴油车尾气处理2。
2.4气体渗硅
气体渗硅应用于生产的时间较长，例如在含有合欢椅SiO4的气体中，可于1100℃进行气体渗硅[4]，它还可以在密封的电阻炉或在井式气体渗碳炉内进行，所采用的渗剂是四氯化硅。因此人们也常常称之为四氯化硅气体渗硅。但为了解决渗硅层的孔隙问题，国外又发展了甲硅烷渗硅和高温短时渗硅。
四氯化硅气体渗硅的方式一般有下列四种：
(1)连续输送进过硅铁合金（或碳化硅），反应生成氯化硅气体，工件在氯及氯化硅气体中渗硅；
(2)直接采用四氯化硅并加以适量的稀释气体（如H2、Ar或N2），工件在混合气体中渗硅；
(3) 用氯化氢代替经过硅铁合金（或碳化硅），反应生成氯化硅气体，工件在混合气体中渗硅；
(4)采用四氯化硅加稀释气体的混合气体渗硅，并在反应区同时放置碳化硅粉。
目前，生产上应用较多的是前两种方式。
甲硅烷渗硅是在渗硅时采用含硅活性气体甲硅烷（SiH4）。甲硅烷需采用专门装置，在金属钠的参与下通过三乙氧基硅烷的歧化反应得到。单独用甲硅烷进行渗硅时，由于热分解产生较大的无定形硅，导致管道系统堵塞，且渗硅层质量较差。因此，在渗硅过程中需加入稀释气体，如H2、N2或Ar。
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