磁性材料的烧结制备工艺研究模板.doc

本科毕业论文（设计）Fe3Si磁性材料烧结制备工艺研究学 院： 理学院 专 业： 电子科学和技术 班 级： 电技081班 学 号： 学生姓名： 指导老师： 06 月 03日贵州大学本科毕业论文（设计）诚信责任书本人郑重申明：本人所呈交毕业论文（设计），是在导师指导下独立进行研究所完成。毕业论文（设计）中凡引用她人已经发表或未发表结果、数据、见解等，均已明确注明出处。特此申明。论文（设计）作者署名： 日 期： 目 录目 录I摘 要1Abstract2第一章 绪论31.1 Fe3Si合金研究现实状况31.1.1 Fe3Si合金性能和结构31.1.2 Fe3Si研究现实状况和发展趋势和存在问题41.2 金属间化合物Fe3Si合金制备方法61.2.1 化学气相沉积方法61.2.2 脉冲激光沉积方法61.2.3 分子束外延方法61.2.4 机械合金化热压烧结制备法71.3 本课题研究意义及内容101.3.1 研究目标和意义101.3.2 研究内容11第二章 样品制备122.1 仪器设备122.1.1 行星式球磨机122.1.2 热压烧结炉132.2 原材料142.3 工艺设计142.4 工艺步骤图152.5 样品制备152.5.1 配料152.5.2 热压烧结粉末制备152.5.3 块体制备162.6 试样检测172.6.1 X射线衍射172.6.2 扫描电镜182.6.3 硬度192.6.4 致密度19第三章 试验结果和讨论213.1 烧结温度950 时不一样时间下Fe3Si样品制备213.1.1 XRD图谱分析213.1.2 第二次退火1000 ，2 h条件下样品制备223.1.3 致密度223.1.4 硬度测量233.2 烧结温度1000 时不一样时间下Fe3Si样品制备243.2.1 XRD图谱分析243.2.2 第二次退火1000 ，2 h条件下样品制备253.2.3 致密度263.2.4 硬度测量273.4 相同烧结时间条件下不一样温度对Fe3Si样品制备影响283.4.1 温度为1100 ，时间3 h条件下283.4.2 温度为1050 ，时间为3 h、4 h条件下283.5 热压烧结时间对样品形貌影响29第四章 结论31参考文件32致 谢33Fe3Si磁性材料烧结制备工艺研究摘 要本文采取纯Fe、Si混合粉末经过热压烧结法制备金属间化合物Fe3Si，用X射线衍射（X-ray diffraction，XRD）分析法、扫描电子显微镜(Scanning electron microscope，SEM)等技术研究了热压烧结工艺对Fe、Si混合粉末物相形成、晶体结构、表面形貌、晶粒尺寸和致密度影响。原子配比为Fe：Si=3：1，球磨机转速250 r/min，球料比10:1，球磨时间为10 min混合后，进行热压烧结处理。研究表明，热压烧结温度是制备金属间化合物Fe3Si关键原因，烧结时间次之。用Fe、Si混合粉末直接用950 烧结得到Fe3Si合金化合物中含有较多杂质成份，伴随退火时间延长有所改善。将烧结温度升高为1000 后，Fe衍射峰显著减弱，经过延长烧结时间直到9 h，得到有序度较高单一性较强Fe3Si合金化合物，伴伴随少许Fe5Si3存在。所以还需要花大量时间进行改善试验参数或工艺，从而得到单一、机械性能良好Fe3Si合金化合物。关键词：Fe3Si；磁性材料；烧结Fe3Si sintering magnetic materials on the preparation process ofAbstractIn this paper, using pure Fe, Si mixed powder by hot pressing sintering preparation of intermetallic compound Fe3Si, X ray diffraction ( X-ray diffraction, XRD ) analysis, scanning electron microscopy ( Scanning electron microscope, SEM ) of hot pressing sintering process on Fe, Si mixed powder phase formation, crystal structure, surface morphology, grain size and density effect.Atomic ratio of Fe:Si=3:1, rotation speed of 250 r/min, ratio of ball milling time is10:1,10 min after mixing, hot pressing sintering processing. Research shows, hot pressing sintering temperature is the preparation of intermetallic compound Fe3Si key factors, sintering time. Using Fe, Si mixed powder directly by 950 sintering to obtain Fe3Si alloy compounds contain more impurities, with prolonging the annealing time improvement. The increase of sintering temperature is 1000 , Fe diffraction peak is apparently abate, extending through the sintering time until 9 h, get the high degree of order single strong Fe3Si alloy compounds, accompanied by a small Fe5Si3 in the presence of. It also needs to spend a lot of time and improve the experimental parameters or process, resulting in a single, good mechanical properties of Fe3Si alloy compounds.Key words: Fe3Si, magnetic materials, sintering, XRD第一章 绪论多年来Fe-Si化合物成为大家关注热点，因为它们在电子学、热电、光电和磁学等领域有着很广泛应用。其中金属间化合物Fe3Si是一个关键磁性功效材料，含有耐高温、抗腐蚀、抗氧化性和低电导率及优异软磁性能，不仅在高频信息领域有期望替换一般硅钢片，而且还被广泛用作音频和视频磁头材料和卡片阅读器磁头材料1。可作为硅钢片涂层材料而替换一般非铁磁性绝缘涂层；在结构涂层方面，Fe3Si因为其高温抗氧化性能,可作为一个潜在抗氧化涂层2。另外，Fe3Si合金含有负温度系数，是一个有特殊性质导体，有可能成为新型电阻材料3。1.1 Fe3Si合金研究现实状况1.1.1 Fe3Si合金性能和结构金属间化合物Fe3Si有很宽泛化合范围（827at.Si），室温下为DO3结构。伴随加热处理时温度增加，首先发生B2结构转变，深入加热则变为无序结构优先熔化。然而在加热或冷却过程中确切相变温度和真实相变次序由成份而定。Fe3Si合金优异抗氧化性、抗腐蚀性和磁性能吸引着商业应用。然而，Fe3Si关键缺点是它硬度高、脆性大，对这些性质物理机制还需要做深层次研究。表1.2.1为Fe3Si物理和学参数2。 表1.2.1 Fe3Si基础物理和力学参数晶系空间群晶格常数密度熔点 杨氏模量立方lm3m0.564 nm7.08 g/cm31120 (DO3)203.07 GPa热膨胀系数等压热容Cp11.410-6 K-1(20 870 )11.010-6 K-1(20 870 )98.30 Jmol-1 K-1(293 K)71.35+87.3810-3T+148.93102T2 (273 K800 K)Fe3Si居里温度为567 ，含有面心立方结构Fe3Si晶格常数为0.564 nm，大约为 -Fe两倍，和Si(0.543 nm)晶格失配度大约为4。图1.2.1 4所表示，符合化学计量比有序Fe75Si25晶体结构是一个DO3结构，我们能够把整个晶胞看成由两个亚晶格组成，一个是包含8个Fe原子亚晶格，另外一个则是Fe和Si间隔占据立方体顶点亚晶格，一个晶胞中有16个原子。图1.2.1 四种不一样位置Fe3Si结构示意图因为Fe3Si晶体结构复杂然而造成它相变过程也很复杂。图1.2.2所表示，其化合范围在-Fe和FeSi之间，Fe3Si可形成2（B2）和 1-Fe3Si（DO3）两种有序结构。-Fe是bcc结构无序固溶，2结构是由-Fe结构中原子和其最近邻异类原子对形成，另外和次近邻原子间有序化造成由2向1转变。图1.2.2 Fe-Si二元系相图1.1.2 Fe3Si研究现实状况和发展趋势和存在问题 中国研究方面： 林均品等人10-11用传统铸造和轧制工艺成功制得了良好Fe3Si基合金薄板。宁江天等人1研究了一定原子配比Fe、Si混合粉末机械合金化过程，测量了样品热压后机械合金化过程，和热压后机械性能。XRD图谱表明样品经过热压由-Fe（Si）过饱和固溶体转变为有序Fe3Si金属间化合物。贾建刚等7首先对一定原子配比Fe、Si混合粉末进行球磨，发觉没有生成Fe3Si金属间化合物，只是产生一个形貌为层状结构组织。随即深入热压烧结，退火发觉球磨时间不一样最终得到Fe3Si粉末有序度不一样。然而中国大家也研究了经过加入多种合金元素来观察对Fe3Si性质影响和和脆性原因研究报道。国外研究方面： 早在1985年由Uhlig和Revie研制杜里龙(Duriron)合金(Si25.2at)甚至能够抵御沸腾硫酸侵蚀12。另外Fe3Si也可应用于材料表面改性而作为一个涂层材料，而且现在关键集中在功效涂层和结构涂层上。功效涂层上因为其高硬度、抗腐蚀、低电导率等优点，可作为硅钢片涂层材料而替换一般非铁磁性绝缘涂层13；在结构涂层方面，因为其含有高温抗氧化性能，可作为一个潜在抗氧化涂层。J.Porcayo-Calderon14等人研究了Fe-Si涂层氧化行为，不过因为喷涂原因影响造成涂层本身存在多种缺点，使得其实际抗氧化性能要低于Fe3Si本体。不过经过深入完善涂层结构，一定能是其作为结构涂层发挥其良好作用。总体上来说中国外对Fe3Si试验方面研究比较广泛，对从理论上分析Fe3Si她多种机械性能和电子结构和过分元素占位、相变有序化、磁学性能、导电性能等理论基础研究还不足。目前就Fe3Si本质脆性还没有得到合理处理方案，关键应该是因为对其脆性本质还没有根本认识。对于Fe3Si部分基础性质还需要更深入了解、认识和探索。 对比中国外研究特点，发觉不管是从理论研究，还是在试验上研究中国全部存在着显著差距。理论研究方面，国外对Fe3Si金属间化合物研究不管在深度和广度上全部走在了前列，包含Fe3Si磁性能、电子结构、过渡金属占位、高温蠕变、相变和原子扩散等物理性质。而中国在理论上研究比较少，还处于初级阶段。试验研究方面，中国在Fe3Si金属间化合物制备方法比较单一，试验创新研究较少，大部分全部是用机械合金化，热压烧结退火得到Fe3Si合金化合物。试验过程中影响原因较多，不一样人得到试验结果存在一定差异。其次对试验结果理论分析不够深入透彻，对样品多种性质没有具体深入研究。总来说现在对Fe3Si合金化合物研究关键还处于试验室制备、理论研究阶段，离实际应用还有较大距离，所以以后还要花很大时间和经历去对其进行深入研究和探索。1.2 金属间化合物Fe3Si合金制备方法 金属间化合物Fe3Si制备方法很多，关键有：机械合金化(Mechanical Alloying，MA)、化学气相沉积方法(Chemical Vapor Deposition，CVD)、物理气相沉积方法(PVD)、脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)和分子束外延(Molecular Beam Epitaxy，MBE)等。经过不一样制备方法和条件所得到Fe3Si性质有些不一样，其应用方向也有所区分。1.2.1 化学气相沉积方法化学气相沉积方法（CVD）利用在高温空间包含基板上和活性化空间中发生化学反应。化学气相沉积有以下优点：(1)可制造非金属膜、金属膜和多成份合金膜；(2)成膜速度快；(3)工作是在常压下或低真空条件下进行，形状复杂工件，工件上有深孔、细孔全部能均匀镀膜，这些方面CVD比PVD优越性强；(4)因为反应气体、反应产物和基体之间相互扩散，从而得到附着性强镀膜，这对于制备耐磨材料、抗腐蚀材料等表面强化膜很关键；(5)能够取得平滑沉积表面；(6)辐射损伤低，这是制造MOS等器件不可缺乏条件5。1.2.2 脉冲激光沉积方法脉冲激光沉积(PLD)也被称为脉冲激光烧蚀（pulsed laser ablation，PLA），是一个利用激光对物体进行轰击，然后将轰击出来物质沉淀在不一样衬底上，得到沉淀或薄膜一个手段。含有以下有点：易取得期望化学计量比多组分薄膜，即含有良好保成份性； 沉积速率高,试验周期短，衬底温度要求低，制备薄膜均匀；工艺参数任意调整，对靶材种类没有限制；发展潜力巨大，含有极大兼容性； 便于清洁处理，能够制备多个薄膜材料。这个方法制备多层薄膜含有以下多个特点：(1) 淀积薄膜组成同靶材材料是一致；(2) 好结晶薄膜能够在低温衬底上进行淀积；(3) 薄膜厚度能够经过计算激光脉冲数目正确控制6。1.2.3 分子束外延方法分子束外延(MBE)是一个在晶体基片上生长高质量晶体薄膜一个新技术。在超高真空条件下，由装有多种必需组分炉子经过加热而产生蒸气，然后经小孔准直后形成分子束或原子束，直接喷射到合适温度单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术优点是：使用衬底温度低，膜层生长速率慢，分子束流强度易于正确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源改变而快速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层单晶薄膜，和交替生长不一样组分和不一样掺杂薄膜，从而形成超薄层量子阱微结构材料。MBE设备比较复杂，价格昂贵，使用时要消耗大量液氮。研究得最多是使用MBE方法制备基于Fe3Si薄膜隧道结、异质结构等在电子器件领域应用。其特点：生长速率极慢，大约 1 um/h，这相当于每秒生长一个单原子层，所以有利于实现正确控制晶体薄膜厚度、结构和成份和形成陡峭异质结构等。实际上是一个原子级加工技术，所以MBE很适适用于生长超晶格材料。外延生长温度低，从而降低了界面上因热膨胀引入晶格失配效应和衬底杂质对外延层自掺杂效应。因为生长是在超高真空中进行，衬底表面经过处理完全清洁，在外延过程中可避免被沾污，所以能生长出质量极好外延层。MBE是一个动力学过程，立即入射中性粒子（分子或原子）一个个地堆积在衬底上进行生长，而并非一个热力学过程，所以经过它能够生长出根据一般热平衡生长方法难以生长薄膜。MBE是一个超高真空物理沉积过程，既不用考虑中间化学反应，又不受质量传输影响，而且能够利用快门对生长和中止进行瞬时控制。所以，膜组分和掺杂浓度可经过调整源改变而快速调整出想要得到样品。1.2.4 机械合金化热压烧结制备法第一步：机械合金化 机械合金化是本世纪70年代发展起来一个材料制备方法，它经过对粉末进行反复破碎、焊合来达成合金化目标。因为合金化过程中会引入大量应变、 缺点和纳米级微结构，从而机械合金化制备材料含有部分和传统方法制备材料不一样特征。所以开展对机械合金化方法制备 Fe3Si 合金研究工作是十分有意义。目前研究内容关键集中在Fe-Si合金粉末机械合金化制备。宁江天、易丹青1将按一定原子配比Fe、Si粉末，在通入氩气保护球磨罐中球磨不一样时间，发觉最终Fe、Si混合粉末合金化在球磨30 h时基础完成。其最终产物为含有 bcc结构 -Fe(Si)固溶体，随即简单延长球磨时间不会使合金化产物发生任何改变。赵媛等8分析了Fe、Si混合粉末球磨过程物相改变，在球磨过程中粉末被强烈地反复塑性变形、断裂、冷焊和组织细化。颗粒内产生大量缺点，降低了元素扩散激活能，使得组元间在较低温度下就能够进行原子或离子扩散，从而达成了机械合金化目标。因为Fe是塑性组元而Si是脆性，所以Si粒子破碎后很容被为Fe 粒子所捕捉。然而粉末颗粒不停受到高能碰撞，发生反复冷焊和断裂。从而产生大量缺点形成组员间快速通道，Si原子能够快速扩散到基体从而生成 -Fe(Si)过饱和固溶体。贾建刚等7观察了球磨不一样时间粉末X射线衍射图谱，发觉伴随球磨时间延长，固溶体衍射峰逐步宽化和矮化，和此同时衍射峰中心位置向低角度方向发生偏移现象。也证实了伴随球磨时间延长，固溶体晶粒逐步细化，但在整个球磨过程中没有发觉有Fe3Si相存在。说明机械合金化不能制备出Fe3Si合金化合物，然而需要对其进行热压烧结工艺处理。第二步：热压烧结处理 定义：将干燥粉料充填入模具模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成一个烧结方法。热压烧结原理图图1.3.1所表示；单轴加压模型材料如表1.3.1所表示。图：1.3.1 热压烧结原理图表：1.3.1 单轴加压模型材料模型材料最高使用温度/()最高使用压力/(Kg/m2)备注石墨2500700中性气氛氧化铝12002100机械加工难、处理费事、抗热冲击性弱、易产生蠕变氧化锆1180氧化铍10001050SiC15001800机械加工困难、有反应性、成本高TaC1700560WC、TiC 1400700TiB212001050机械加工难、易氧化、价格高、易产生蠕变W15002450Mo1100210In uconelx、耐腐蚀高温镍、合金、不锈钢1100易产生蠕变热压烧结特点：热压烧结因为是加热和加压同时进行，粉料处于热塑性状态，有利于颗粒接触扩散、流动传质过程进行，所以成型压力仅为冷压1/10；还能降低烧结时所需温度，缩短烧结时间，从而抵制晶粒长大，得到晶粒细小、致密度高和机械性能和电学性能良好产品。热压烧结缺点是过程及设备复杂，生产控制要求严，模具材料要求高，能源消耗量大，生产效率较低，生产成本高等。郑锋等9分析了热处理对Fe-Si合金化合物形成影响。在一定温度下使大量不平衡相转变成为平衡相，析出新相；另外高温增大了元素扩散系数，使Fe、Si充足发生固态反应，生成Fe-Si合金。相变过程中需要原子扩散来实现，伴随球磨时间加长，铁硅复合组织形成为Si在Fe晶格中扩散和Fe-Si之间固相反应提供了先决条件。而机械合金化过程中，位错和晶界破坏了晶体结构完整性，降低了溶质代位扩散势垒，也为溶质元素在基体中扩散提供了快速通道。这么在后期热处理过程中，首先过饱和固溶体析出新相，其次Fe、Si发生固相反应生成铁硅化合物。贾建刚等8经过对合金化后粉末样品进行热压烧结处理以后，发觉-Fe(Si)过饱和固溶体转变为有序合金化合物。球磨后粉末再经过热压烧结工艺，发觉球磨1 h混合粉末形成有序度较差Fe3Si合金化合物，球磨时间超出1 h粉末则得到有序度较高Fe3Si合金化合物，而经过20 h球磨粉末在温度为1100 、15 MPa-20 MPa压力下热压烧结15 min得到高有序度Fe3Si合金化合物。伴随烧结时间延长，其有序度有所下降，致密性则缓慢提升。1.3 本课题研究意义及内容1.3.1 研究目标和意义本课题选择半导体硅化物材料作为研究对象，它们是由地球上资源寿命极长Fe、Si元素组成，资源贮藏丰富、可循环利用率高、废弃物无毒无害、对环境无污染等，是当今社会大力提倡环境友好材料。Fe-Si化合物在相图富金属相上有着很有前景应用，能够用在电子学，热电，光电和磁学等领域，所以Fe-Si化合物被认为是在热稳定接触，太阳能电池器件，基于冷光光源，温差发生器，基于磁阻开关器件和自旋电子学等方面有着广泛应用功效材料。这类材料制备技术是环境友好制备技术，而且有着卓越稳定性。Fe3Si作为硅系金属间化合物中一个，不仅表现出金属硅化物种种优点而且兼具硅化物一些专长，如:耐高温、抗腐蚀、抗氧化等，同时含有优异软磁性能，有期望替换一般硅钢片，尤其是在高频信息领域方面表现尤为突出，而且还可广泛用作音频和视频磁头材料和卡片阅读器用磁头材料15。理论计算表明DO3类型Fe3Si合金在费米面周围电子是高度自旋极化，能够制造自旋电子器件，提升集成电路性能；利用Fe3Si合金磁学方面性质能够制成磁性隧道结，磁阻随机存放器等。林均品等人用传统铸造和轧制工艺成功制得良好Fe3Si基合金薄板。因为Fe3Si合金含有极好抗氧化、抗腐蚀性能，使其含有很大商业价值。另外，另外其还含有制备成本低廉、制备方法简便等优点。另外，Fe3Si因为含有良好耐磨性而能够开发出一个优质耐磨材料。从已经有研究结果中发觉，热压烧结法制备Fe3Si块体含有高而稳定摩擦系数(0.8-1.0)和低磨损率，可考虑将Fe3Si作为水轮机一些耐磨结构器件。再者其还含有负电阻温度系数，是一个有特殊性质导体，有可能成为新型电阻材料3。目前Fe3Si合金制备工艺共分为两大类：一类是寻求合金韧化，利用轧制工艺制备薄板；另一类利用新技术，避开合金脆性，包含快速凝固工艺、薄膜生产工艺、CVD工艺、机械合金化工艺、热压烧结工艺等，来制备Fe3Si合金。其次增大元素扩散系数，使Fe、Si充足发生固态反应，生成Fe-Si金属间化合物。本课题就是探索利用这种方法得到最好制备条件，所以用这么方法处理对于得到Fe3Si合金有着关键意义。1.3.2 研究内容本文选择金属间化合物Fe3Si作为研究对象，对按原子配比为Fe：Si=3：1Fe和Si混合粉末进行真空热压烧结工艺处理，使用XRD，SEM等手段对制备过程中物相改变，晶体结构，表面形貌，颗粒度大小等性质进行分析，从而得到金属间化合物Fe3Si最好制备条件和对应工艺参数。采取行星式球磨机对原子配比为Fe:Si=3:1Fe、Si混合粉末进行真空热压烧结工艺处理，分析制备过程中各原因(如：烧结温度、烧结时间等)对制备Fe3Si化合物影响，使用XRD，SEM等测试技术对样品物相成份，晶体结构，形貌改变和晶粒尺寸等进行分析。试图直接经过对Fe、Si混合粉末进行真空热压烧结工艺制备得到Fe3Si金属间化合物。最终得到制备结构和性能均优良Fe3Si金属间化合物块体材料工艺条件和工艺参数。第二章 样品制备 2.1 仪器设备 研究中所用到到仪器设备名称、型号及用途如表2.1所表示。表2.1 试验设备及其作用设备名称型号作用变频行星式球磨机XQM-4L球磨制粉，机械合金化工艺扫描电镜(SEM)S-4300观察粉末试样形貌显微结构X射线衍射仪(XRD)D8 Super Speed 确定物相，估算晶粒尺寸真空热压高温烧结炉中科院沈科仪定做球磨试样烧结成型真空手套箱中科院沈科仪定做球磨制粉过程中通氩气精密电子天平奥豪斯CP213称粉，配料维氏硬度测试仪HVS-5A1测试材料硬度石墨模具G530/535/540上海碳素粉末热压成型2.1.1 行星式球磨机研究中所用高能行星式球磨机是：XQM-4L型变频行星式球磨机，球磨罐、球均为不锈钢材料所制，图2.1.1所表示。图2.1.1 高能行星式球磨机、不锈钢真空球磨罐和不锈钢球行星式球磨机工作原理，图2.1.2所表示16。四个球磨罐被对称地装在主轴支撑盘上，电动机带动主轴支撑盘公转同时主轴又经过齿带带动球磨罐向反方向自转。行星式高能球磨机中磨球不仅含有很高撞击力和撞击频率,同时在筒底上作复杂运动时对粉体强烈碾压和搓擦作用,从而使得内部粉料能在较短时间里被研磨到纳米级。这么一来粉体材料很多物理性能和化学性能全部发生了根本性转变。固态反应热力学和动力学条件均不一样于常规条件下表现,从而常规条件下不能进行部分固态反应,而在高能球磨条件下却能顺利实现,这是MA关键特征。图2.1.2 行星式球磨机工作原理图2.1.2 热压烧结炉 本文中使用立柱式真空热压烧结炉是由：中科院沈阳科学仪器研制中心研制，图2.1.3所表示。最高温度能够达成1600 ，极限真空可达10-4 Pa，也能够在通入惰性气体（如：氩气等）保护下进行热压烧结处理。图2.1.3 真空热压烧结炉2.2 原材料 机械合金化试验采取北京浩运工贸企业提供Fe粉，Si粉，相关参数如表2.2.1所表示。表2.2.1 试验原料性质原料纯度(wt.)粒度(目)其它关键化学成份密度(g/cm3)FeSi99.099.9-325-300Si,C,Mn,S,P, O等Fe,Cr,Ni,Mg,Ca,Ti,Zn,V等7.862.332.3 工艺设计同课题组硕士硕士陈站，以前做先机械合金化然后经过真空热呀烧结工艺得到纯净Fe3Si合金化合物。我选择了其中组数据进行对比，XRD图谱图3.3.1所表示。图为球料比为20：1，转数为360 r/min，球磨时间为55 h，烧结时间为1 h，不一样温度条件下XRD图谱。从图中能够得到，经过球磨后粉末经过热压烧结800 ，1 h就能得到很纯净Fe3Si合金化合物。这说明了，经过球磨以后热压烧结条件比较底情况下就能得到很好Fe3Si合金化合物；然而先经过机械合金化，这么花费时间比较多，所以我们考虑不经过球磨，直接用Fe、Si混合粉末经过真空热压烧结工艺制备Fe3Si化合物，从而得到试验室制备Fe3Si更优条件。图 2.3.1 不一样烧结温度，1 h，22 Mpa条件下样品XRD图为了铁粉和硅粉能充足混合均匀，热压烧结所用Fe、Si混合粉末均按原子配比为Fe：Si=3：1，球料比为 10：1，球磨机转速为250 r/min，球磨混合时间为10min制备。热压烧结工艺参数设计如表2.3.1、表2.3.2所表示。表2.3.1 热压烧结工艺参数设计温度/（）预压压力/（Mpa）时间/（h）热压压力/（Mpa）9502.23、4、5、6、7、8、92210002.23、4、5、6、7、8、92210502.23、42211002230表 2.3.2 二次退火温度/（）时间/（h）退火温度/（）退火时间/（h）退火压力/（Mpa）9508、910002010003、6、91000202.4 工艺步骤图 原子配比为Fe：Si=3：1混合粉末粉使用球磨机将粉末混合均匀热压烧结工艺(改变时间、温度等)对样品进行XRD、SEM测试分析得到试验室制备Fe3Si最好工艺条件2.5 样品制备 2.5.1 配料 此次试验采取纯度高于98%Fe粉和纯度高于99.8%Si粉作为原材料。按原子百分比Fe:Si=3:1进行成份配料。按球料比为10：1，用电子天平称取对应Fe粉和Si粉放入球磨罐中。2.5.2 热压烧结粉末制备 将混合粉末及不锈钢球装入可密封不锈钢球磨罐里（磨料比为10：1），然后在真空操手套箱里进行抽真空并填充上充氩气进行保护，以防在球磨过程中氧化。随即在XQM变频行星式球磨机上进行球磨（转速为200 R/min，球磨时间为10 min）。使Fe粉和Si粉混合均匀。图 2.5.1 Fe、Si混合粉末XRD图 图2.5.1 为Fe、Si进过球磨机混合后粉末XRD图，能够用来判定样品中Fe、Si单质相衍射峰偏移量。图中有少许FeO存在，可能是因为在取出粉末在送去测试途中和空气接触引发氧化所造成。2.5.3 块体制备 取一定质量（大约6 g）Fe、Si混合粉末，均匀平铺在30 mm20 mm石墨加热模具容器中，进行真空热压烧结处理。实际烧结过程，温度逐步升高达成预设温度，然后保温一定时间，最终自然冷却至室温。大致能够把烧结分成四个温度阶段：即低温预烧阶段、中温升温烧结阶段、高温保温完成烧结阶段、降温阶段。升温时间和温度关系曲线图2.5.2所表示。（拿烧结温度为1000 ，时间为2 h为例。）通常情况下提升烧结温度、延长烧结时间，全部能使烧结体性能有所提升，不过过高温度，过长时间会使晶粒长大甚至发生再结晶，这么会给材料性能带来不利影响。为了研究烧结温度和烧结时间对Fe-Si混合粉末性能影响，取得较为理想烧结工艺参数，依据Fe3Si化合物熔点(1120 )和烧结温度关系进行试验（热压烧结工艺温度控制过程图2.5.2所表示，选择1000 ，2 h为例）。其中黑色曲线代表理论温度控制曲线，红色曲线代表实际温度控制曲线。在试验过程中实际温度和理论温度之间差异小于5 （除降温阶段），理论设定温度控制程序跟实际过程中温度控制曲线是基础吻合。升温速率约为10 /min，降温速率大约为3.98 /min。图2.5.2 热压烧结工艺温度控制曲线2.6 试样检测2.6.1 X射线衍射（1）X射线衍射应用XRD即X射线衍射仪能够做定性、定量分析。即能够分析合金物里面相成份和它含量，能够测定晶格参数、能够测定结构方向、含量，还能测定材料内应力，材料晶体大小等。通常关键是用来分析合金物里面相成份和含量，其广泛应用于材料生产、冶金、石化、航天航空、教学科研等领域。在此次试验中，用其来确定Fe-Si烧结产物物相组成。从而分析出不一样参数、条件下，对Fe-Si混合粉末热压烧结后生成物相影响。（2）X射线衍射工作原理X射线是原子内层电子在高速运动电子轰击下，跃迁而产生光辐射。关键有连续X射线和特征X射线两种。晶体可被用作X光光栅，这些很大数目标原子或离子、分子所产生相干散射将会发生光干涉作用，从而影响散射X射线它们强度增强或减弱。因为大量原子散射波叠加，相互干涉而产生最大强度光束称为X射线衍射线。满足衍射条件，可应用布拉格公式： 。图 2.6.1 X射线工作原理 应用已知波长X射线来测量角（图 2.6.1所表示），然而计算出晶面间距d，然后依据晶面间距d确定衍射面指数，最终由晶面间距d和晶面衍射消光规律确定晶体结构。在实际测量中，关键经过测量得到图谱和XRD数据库PDF卡片中衍射峰位置和衍射峰相对强度进行对比，从而确定样品中所存在相。2.6.2 扫描电镜扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，SEM）是一个利用电子束扫描样品表面从而取得样品信息电子显微镜。它能产生样品表面高分辨率图像，而且图像呈三维，所以扫描电子显微镜能被用来判定样品表面结构。因其优异性能被广泛地应用在生物学、医学、冶金学等学科领域。此次试验将用其来分析试样表面结构，以此来研究不一样参数对其有序度影响。扫描电镜(SEM)通常由以下部分组成：镜筒（包含电子枪、聚光镜、物镜及扫描系统）、信号搜集和处理系统、信号显示和统计系统、真空系统及电源系统。它是利用聚焦后高能电子束在试样上进行扫描，激发出物理信息，经过对这些信息进行接收、放大和显示成像，从而对试样表面进行分析。具体来说，在高电压作用下，从电子枪射出电子束经聚光镜和物镜聚焦成很细高能电子束，同时在扫描线圈作用下，在试样表面作行帧扫描。电子束和试样表面层物质相互作用，产生被散射电子，二次电子等多种信息。探测器将这些信息接收，而且经过放大，送到阴极射线管，阴极射线管扫描线圈使用同一个扫描电子源。所以，二者电子束同一时刻在荧光屏上位置是完全对应，所以试样表面形貌和在显像屏上图像完全一致。表面形貌是采取于来自样品表面二次电子成像，假如电子束从样品表面上某一个点激发出二次电子多，则该点就是亮点。反之， 则为暗点。而发射出二次电子数多少，和样品表面形貌相关，所以在显像屏上图像也就是放大了样品表面某一部分图像17。扫描电镜工作原理图2.6.2左所表示。本文采取是日立（Hitachi）S-3400N型SEM对样品进行表面组织形貌进行扫描分析。日立（Hitachi）S-3400N型SEM扫描电镜图2.6.2右所表示。图2.6.2 扫描电子显微镜工作原理及实物图2.6.3 硬度 本文采取是维氏硬度计进行测量。测量前将待测样品要打磨抛光到同一水平。测量时施加压力为：1.96 kN，连续时间为15秒。为了降低烧结体内部致密度分布不均匀带来误差，每个样品采5个点进行测量，结果取其平均值。2.6.4 致密度 密度即物质单位体积质量，本文中采取阿基米德排水法来测量密度。利用实际测出密度和理论密度之比计算致密度。首先采取排水法测量Fe3Si金属硅化物密度，由阿基米德定律: 式中，：水密度；：重力加速度；：排开水重量；，：分别是物质在空气中重量和在水中重量。测出样品排开水体积后，即可计算出样品实际密度： 为降低误差，数次测量取其平均值。将得到样品实际密度，和其理论密度比较即可算出样品致密度，即。第三章 试验结果和讨论3.1 烧结温度950 时不一样时间下Fe3Si样品制备3.1.1 XRD图谱分析图 3.1.1 温度为950 ，22 Mpa，不一样烧结时间Fe3SiXRD图图3.1.1所表示，是按Fe、Si原子比为3：1配制混合粉末Fe75Si25在转速为200 r/min，球料比10:1时球磨10 min后，经过热压烧结工艺，温度为950 ，压力为22 Mpa条件下，不一样烧结时间Fe3SiXRD图谱。从图上能够看到，烧结后样品关键衍射峰为Fe3Si相，并伴伴随Fe和Fe5Si3化合物衍射峰出现。说明Fe、Si混合混合粉末经过热压烧结工艺后，有Fe-Si化合物形成。样品随烧结时间延