第10期 温钰等：Si在纯Fe及低硅钢中扩散行为 ·1141· 膜层中生成亚稳态Fe,Si,化合物相.图3(d)截面扫 图中d1为a相(Fe,Si)厚度，为l5um;d,为y相（纯 描电镜形貌观察结果表明，FeSi/Si多层膜在 Fe基片)厚度，为200um;a相中Si的质量分数为 1180℃完全互扩散熔为一体，膜层致密化，而且此 14.35%,y相不含Si;扩散温度T为1180℃；扩散 时膜层中Si的质量分数为14.9%，与图4中X射线 时间t分别为0、900、3600、36000和144000s.由 衍射图谱标定结果为FeSi相基本一致. DICTRA模拟运算，绘制出不同扩散时间内Si含量 ■FeSi 0 分布曲线如图6所示，对应的相界面位置及相界面 -1180℃ ●fe,Si -1000℃ 迁移速率随时间的变化曲线示于图7.图7(b)中插 Fe,Si -800℃ Oa-Fe(Si) -2009℃ 图为扩散时间1000s以上相界面迁移速率的放 大图 ◇ T=1180℃ g ◇ RoER ◆ ● RRER 可0■ ·只 0 30 40 5060 70 80 90 2609 d 图4纯Fe基片沉积五层FeSi/Si膜后在不同温度下真空处理1 h后膜表面的X射线衍射图谱 图5 DICTRA模拟计算Si渗入纯Fe基片的边界条件 Fig.4 XRD pattems of FeSi/Si/FeSi/Si/FeSi five-ayer films heat- Fig.5 Boundary conditions of Si penetrating into the Fe substrate for treated in vacuum at different temperatures for I h simulation by DICTRA software 表1纯Fe基片沉积五层FeSi/Si膜后在不同温度下真空处理1h 3.0 后膜表面S:质量分数及膜层相组成 Table 1 Si mass fraction and phase compositions in the multi-ayer films 1=900s heat-reated in vacuum at different temperatures for I h 2.0 =3600s 温度/℃ Si的质量分数/% 相组成 1.5 200 11.6 a-Fe(Si) 800 18.5 FeaSi+FeSi 1.0 1=36000s 1000 30.1 FesSis FeSi 05 I初始界面 1=144000s 1180 14.9 Fe Si 2.1.3Si元素在纯Fe基体中扩散的模拟运算 40 80 120160 200 240 深度μm 为了进一步验证上述Si在纯Fe基体中的扩散 图6 DICTRA模拟计算1180℃下不同时间内Si的质量分数随 模型，并且与实验结果进行比较，运用DICTRA软件 试样截面深度的变化 对Si在纯Fe中的扩散进行了模拟运算.根据 Fig.6 Mass fraction of Si with sample depth simulated by DICTRA 2.1.2节中所述，设定初始的边界条件如图5所示， software when samples diffused for different time at 1 180C 100 b 80 12 60 6 40 23 3 20 10 1 M 时阿 10 初始界而 -20 40 0 102 10 10 105 10的 io 102 103 10 10 10 时间 时问s 图7扩散时间对相界面位置(a)及相界面迁移速率(b)的影响 Fig.7 Effects of diffusion time on interface position (a)and interface migration rate (b)第 10 期 温 钰等: Si 在纯 Fe 及低硅钢中扩散行为 膜层中生成亚稳态 Fe5 Si3化合物相． 图 3( d) 截面扫 描电镜形貌观察结果表明，FeSi /Si 多 层 膜 在 1 180 ℃完全互扩散熔为一体，膜层致密化，而且此 时膜层中 Si 的质量分数为 14. 9% ，与图 4 中 X 射线 衍射图谱标定结果为 Fe3 Si 相基本一致． 图 4 纯 Fe 基片沉积五层 FeSi /Si 膜后在不同温度下真空处理 1 h 后膜表面的 X 射线衍射图谱 Fig． 4 XRD patterns of FeSi /Si /FeSi /Si /FeSi five-layer films heat￾treated in vacuum at different temperatures for 1 h 表 1 纯 Fe 基片沉积五层 FeSi /Si 膜后在不同温度下真空处理 1 h 后膜表面 Si 质量分数及膜层相组成 Table 1 Si mass fraction and phase compositions in the multi-layer films heat-treated in vacuum at different temperatures for 1 h 温度/℃ Si 的质量分数/% 相组成 200 11. 6 α--Fe( Si) 800 18. 5 Fe3 Si + FeSi 1 000 30. 1 Fe5 Si3 + FeSi 1 180 14. 9 Fe3 Si 2. 1. 3 Si 元素在纯 Fe 基体中扩散的模拟运算 为了进一步验证上述 Si 在纯 Fe 基体中的扩散 模型，并且与实验结果进行比较，运用 DICTRA 软件 对 Si 在 纯 Fe 中的扩散进行了模拟运算． 根 据 2. 1. 2 节中所述，设定初始的边界条件如图 5 所示， 图中 d1为 α 相( Fe3 Si) 厚度，为 15 μm; d2为 γ 相( 纯 Fe 基片) 厚度，为 200 μm; α 相中 Si 的质量分数为 14. 35% ，γ 相不含 Si; 扩散温度 T 为 1 180 ℃ ; 扩散 时间 t 分别为 0、900、3 600、36 000 和 144 000 s． 由 DICTRA 模拟运算，绘制出不同扩散时间内 Si 含量 分布曲线如图 6 所示，对应的相界面位置及相界面 迁移速率随时间的变化曲线示于图 7． 图 7( b) 中插 图为扩散时间 1 000 s 以上相界面迁移速率的放 大图． 图 5 DICTRA 模拟计算 Si 渗入纯 Fe 基片的边界条件 Fig． 5 Boundary conditions of Si penetrating into the Fe substrate for simulation by DICTRA software 图 6 DICTRA 模拟计算 1 180 ℃ 下不同时间内 Si 的质量分数随 试样截面深度的变化 Fig． 6 Mass fraction of Si with sample depth simulated by DICTRA software when samples diffused for different time at 1 180 ℃ 图 7 扩散时间对相界面位置( a) 及相界面迁移速率( b) 的影响 Fig． 7 Effects of diffusion time on interface position ( a) and interface migration rate ( b) ·1141·