硅反应性及合金元素对热浸镀锌影响的研究

摘要

热浸镀锌是一种用以保护钢件免受腐蚀的、在工业上广泛应用的技术。但是，含硅量高于0.07wt％的钢在一般镀锌时，会出现镀层外观质量差、厚度较大、易于从基体上剥落等镀锌工业中所指的硅反应性现象。含磷的钢热浸镀锌时也会出现与含硅钢相似的现象。到目前为止，关于硅反应性的形成机理，还存在着很大的争议；在控制硅反应性方面，也没有一种完全有效的办法。因此，对于含硅（或磷）钢的热浸镀锌，还有许多基础工作要做。本研究就是围绕热浸镀锌的这些基础问题而开展的。 在本研究工作中，进行了固态Zn/Fe、Zn/Fe-Si扩散偶实验，分析了硅对锌-铁金属间化合物形成的影响及其生长动力学规律。在Zn/Fe、Zn/Fe-Si扩散偶中，总扩散层的生长均为抛物线形式，但是，硅的加入使得Zn/Fe-Si扩散层组织中δ相的生长受到严重抑制，并且，δ层与ζ层间的界面变得极不规则，δ相呈不连续小岛状突起伸入到ζ中。硅的加入量对扩散层组织及合金层总厚度影响不大。 测试了与硅反应性相关的Zn-Fe-P和Zn-Al-P两个三元系的450℃等温截面的富锌部分，得到了这两个体系在热浸镀锌温度下的相平衡关系。在Zn-Fe-P三元系450℃等温截面的富锌-铁部分，存在8个三相平衡；在Zn-Al-P三元系450℃等温截面的富锌部分，存在3个三相平衡；磷在液锌、α-Fe以及4个Zn-Fe化合物中的溶解度都非常低。根据所得到的相图，分析了磷对热浸镀锌组织的影响。含磷钢基体热浸镀锌时，镀层将出现硅反应性的现象。 为了解锌池中铋对锌铁反应的作用，实验测试了Zn-Fe-Bi三元系的450℃等温截面。该截面中存在5个三相平衡和6个两相平衡，没有发现三元新相形成。铋在四种Zn-Fe化合物和α-Fe中溶解度极低，而铁在富锌相中也几乎不溶。根据热浸镀锌温度下该体系的相平衡信息，分析了锌池中的铋对热浸镀锌组织的影响。铋对控制硅反应性没有作用。 用工业纯铁和含硅钢进行热浸镀锌，系统地研究了浸镀温度、钢基中硅含量以及硅磷协同作用对热浸镀锌镀层组织的影响，分析了工业纯铁和含硅钢镀层生长动力学规律。工业纯铁和含硅钢随温度升高，镀层厚度的变化规律相似，但是其镀层生长动力学不同。在450℃的锌池中进行热浸镀锌时，工业纯铁镀层总厚度呈抛物线增加，镀层生长由扩散控制，含硅钢镀层总厚度呈线性增加，其生长由界面反应控制。硅促进了ζ相的生长而阻碍δ相的生长，与固态扩散偶中硅对ζ相和δ相的作用一致。在同时含硅和磷的钢基体中，当有效硅含量达到0.07wt％时，镀层组织呈现出硅反应性组织的特征，镀层较厚。 基于对Zn-Fe-Si三元系450℃等温截面扩散通道的分析，提出了热浸镀锌中硅反应性的模型。当硅浓度较低的钢镀锌时，开始生成正常层状组织。由于硅在晶界和相界富集，导致扩散通道超越ζ相，并切割ζ相和液相的共轭线，这时液相出现在ζ相晶界形成液体通道，液锌可以通过δ相侵蚀基体，整个镀层生长由液相与δ相反应速度决定，生长速度保持不变，即镀层生长为线性规律，反应性组织的形成存在孕育期。当钢中硅浓度较高时，扩散通道开始就超越ζ相，并切割ζ相和液相的共轭线，反应性组织的形成不需要孕育期。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1钢的热浸镀锌

1.1.1热浸镀锌的作用及发展简介

1.1.2热浸镀锌过程中锌-铁之间的反应及镀层组织

1.1.3热浸镀锌工艺

1.1.4热浸镀锌的温度和时间

1.1.5热浸镀锌过程中Sandelin效应的问题

1.1.6钢基体成分对热浸镀锌的影响

1.1.7锌池中合金元素对热浸镀锌的影响

1.2扩散偶技术

1.2.1扩散偶技术的发展与应用

1.2.2扩散偶的制作方法

1.2.3扩散偶方法相形成的特点

1.2.4扩散偶方法研究锌-铁反应的现状

1.3相图测试技术

1.3.1相图在材料科学中的应用及其发展状况

1.3.2相图的主要测试方法

1.3.3热浸镀锌领域的相图研究状况

1.4本课题的研究目的、意义及研究内容

1.4.1本课题的研究目的与意义

1.4.2本课题的研究内容

第二章实验方法

2.1实验流程

2.2扩散偶实验

2.2.1样品的制备

2.2.2扩散偶的制备

2.3相图测定

2.3.1测定Zn-Fe-P和Zn-Al-P三元系450℃等温截面相关系的方法

2.3.2 Zn-Fe-Bi三元系450℃等温截面的测定方法

2.4热浸镀锌实验

2.4.1实验用原材料

2.4.2锌浴配制

2.4.3热浸镀锌实验工艺流程

2.5金相试样的制备、组织观察及成分分析

第三章硅对锌-铁金属间化合物生长的影响研究

3.1前言

3.2扩散区的显微组织

3.3锌-铁金属间化合物的生长动力学

3.4本章小结

第四章磷对热浸镀锌影响的研究

4.1前言

4.1.1 Zn-P和Fe-P二元系

4.1.2 Zn-Al和Al-P二元系

4.2 Zn-Fe-P三元系450℃等温截面中相关系的确定

4.3钢基体中磷对热浸镀锌镀层组织的影响

4.4 Zn-Al-P三元系450℃等温截面中相关系的确定

4.5本章小结

第五章硅对热浸镀锌的影响及硅磷协同作用的研究

5.1前言

5.2浸镀温度对镀层的影响

5.2.1浸镀温度对工业纯铁镀层的影响

5.2.2浸镀温度对2#试样镀层的影响

5.3工业纯铁及含硅钢镀层生长动力学

5.3.1工业纯铁镀层生长动力学

5.3.2含硅钢镀层生长动力学

5.4钢基体中硅对热浸镀锌组织的影响及硅磷的协同作用

5.4.1钢基体中硅对热浸镀锌组织的影响

5.4.2钢基体中硅和磷共同存在时对热浸镀锌组织的影响

5.5锌池中添加硅对镀层组织的影响

5.6本章小结

第六章锌池中的铋对热浸镀锌作用的基础研究

6.1前言

6.2 Zn-Fe-Bi三元系450℃等温截面的实验测定

6.3锌池中加铋对含硅钢热浸镀锌镀层组织的影响

6.4本章小结

第七章全文结论

参考文献

致 谢

攻读博士学位期间主要的研究成果