热浸镀锌铝的界面反应及熔池的热力学研究

摘要

热浸镀锌广泛应用于提高钢材的耐蚀性,Zn-55％Al、Zn-5%等锌铝镀层的耐蚀性能要优于单一的锌、铝镀层。由于锌铝熔池中铝的存在,导致钢基与熔池之间发生激烈的放热反应,同时镀层金属间化合物层快速增厚、熔池中产生大量的锌铝渣。为控制钢基与熔池之间的快速反应,在熔池中加入硅和铜等合金元素,针对铁、锌、铝和硅之间的相互反应,测定了相应的相关系,研究了合金元素对镀层的影响,明确热浸镀锌铝中的界面反应和熔池中锌铝渣的形成机理,以利于改善镀层的组织结构。
　　试验测定了Zn-Fe-Cu三元体系450℃、620℃和800℃等温截面,在该体系中未发现三元化合物。450℃等温截面中存在8个三相区,试验结果表明铜在Γ和δFe相中的溶解度分别为17.9at.%and15.2at.%,而在液相和ζ相中的溶解度很低。这个结论证明了在热浸镀锌熔池中加入的铜含量达到1.0at.%时,将促使Γ和δFe相的形成,同时抑制ζ相生长。在该体系620℃和800℃等温截面中分别存在4个三相区和3个三相区。620℃时γ和Γ相形成连续固溶体,该连续固溶体在本研究中被命名为γ/Γ相。620℃等温截面中δFe和δCu相伸入相图内部,所形成的(γ/Γ+δFe+δCu)三相区成分范围狭小。
　　在Zn-Al-Ni三元体系600℃等温截面中存在8个三相区,在该体系中同样未发现三元化合物。镍在液相中的溶解度非常低,最大值未超过0.8at.%。共存在该体系中的二元相AlNi和NiZn伸入相图内部,可以清晰的判断三相区(NiZn+AlNi+Ni3Zn14)和(AlNi3+AlNi+NiZn)存在于该等温截面中,同时在本研究中确定了AlNi,Al3Ni5和AlNi3相的三相平衡关系。根据实验研究结果显而易见,当少量的镍加入到锌铝熔池中时,熔池成分将无法维持在液相区域,而是进入到两相区或者三相区,从而导致锌铝熔池中形成大量的化合物。
　　在热浸镀锌铝中提出了扩散通道的改变对镀层中金属见化合物层形成的控制机理,在热浸镀(扩散偶)化合物层开始形成阶段,扩散通道沿熔池成分与对应的铁铝二元化合物形成的两相区共轭线穿过该相区,对应层状的铁铝二元化合物在铁基上连续形成。随着热浸镀(扩散)时间的延长,扩散通开始向两扩散原始组元的连线移动,一旦扩散通道移动到切割液相和其对应铁铝化合物组成的两相区共轭线时,优先形成在钢基上的铁铝二元化合物层将失稳破裂,同时液相通道在化合物层中形成,将导致熔池液相直接接触钢基而发生界面反应控制的反应过程,镀层金属间化合物层的厚度将显著增厚。
　　在锌铝熔池中添加铜能有效的抑制其铁铝之间的反应,铜的加入能促使τ5的形成,同时控制Fe2Al5层的快速增厚。当0.5~1.0wt.%的铜加入到锌铝熔池时,铜能够促使硅在界面反应区域富集,该区域之前熔池液相与FeAl3相的平衡被液相与τ5之间的平衡关系所取代,此时界面反应扩散通道为(钢基/Fe2Al5/FeAl3/τ5/锌铝熔池),镀层金属间化合物外层形成致密的τ5相层,这种现象避免了熔池液相直接腐蚀钢基,从而控制了钢基与熔池之间的反应,镀层的金属间化合物层厚度明显减薄,Fe2Al5相层减薄程度尤为明显。
　　试验研究了硅含量在1.0~3.0wt.%范围内,温度580~610℃时熔池中锌铝渣相的形成机理,熔池中所形成的锌铝渣相被鉴别为FeAl3相和含锌的τ5相。同时在580~610℃温度范围内建立了Zn-Fe-Al–Si四元体系中(Al0.55Zn0.45)1-x-yFexSiy截面富锌铝侧相平衡关系,可以直观的看出随熔池硅含量和温度的变化,熔池中所含锌铝渣的种类。当硅含量不超过1.3at.%时,熔池中锌铝渣相仅为FeAl3相,在1.0~1.6wt.%硅含量锌铝池中所形成的FeAl3相中最大的硅含量为1.93wt.%。当硅含量达到2.0wt.%时,熔池中仅含有τ5锌铝渣相。在本研究工作中,580~610℃温度范围内1.6wt.%硅含量熔池中均出现FeAl3相和τ5相共存的现象。

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第1章 绪 论

1.1 热浸镀锌铝的概念及其发展现状

1.2 热浸镀锌铝工艺

1.3 典型的热浸镀锌铝镀层

1.4 热浸镀55%Al-Zn-1.6Si合金镀层

1.5 相图实验测定方法和热力学计算

1.6 研究目的和意义

第2章 试验方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法

2.3 样品分析测试

第3章 Zn-Fe-Cu三元体系研究

3.1 引言

3.2 二元体系

3.3 Zn-Fe-Cu三元体系450℃等温截面

3.4 Zn-Fe-Cu三元体系620℃等温截面

3.5 Zn-Fe-Cu三元体系800℃等温截面

3.6 本章小结

第4章 Zn-Al-Ni三元体系600℃等温截面研究

4.1 引言

4.2 二元体系

4.3 实验结果分析讨论

4.4 本章小结

第5章 Fe-Zn-Al-Si体系相关截面的试验测定及热力学计算

5.1 等温四元系成分截面相图的绘制

5.2 (Al0.55Zn0.45) 1-x-y FexSiy成分截面富Al/Zn角相关系测定

5.3 Fe-Zn-Al-Si体系相关热力学计算

5.4 本章小结

第6章 热浸镀锌铝界面反应动力学分析

6.1 引言

6.2 Fe-Zn-Al三元体系

6.3 镀层（扩散层）显微组织分析

6.4 扩散通道移动对合金层组织形成过程的描述

3.5 本章小结

第7章 合金元素对热浸镀Galvalume镀层生长的影响

7.1 引言

7.2 Cu元素对热浸镀Galvalume锌铝镀层生长的影响。

7.3 La元素对热浸镀Galvalume锌铝镀层生长的影响

7.4 Nd元素对热浸镀Galvalume锌铝镀层生长的影响

第8章 硅对热浸镀Galvalume熔池锌铝渣形成的影响

8.1 Galvalume锌铝熔池锌铝渣X-射线衍射分析

8.2 硅含量对锌铝熔池中锌渣种类的影响

8.3 硅含量对锌铝熔池中铁的溶解度的影响

8.4 本章小结

第9章 全文总结

参考文献

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间申请的专利

攻读博士学位期间参与的课题