钢热浸镀铝层的组织结构和稀土镧的行为研究

摘要

利用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜、电子探针和X射线衍射仪等系统地研究了镀铝钢扩散前后的组织结构及稀土的影响。根据试验结果考察了20钢镀铝扩散层的生长动力学,给出了动力学方程,建立了扩散过程中合金层/基体界面层生长的数学模型,研究了扩散层空洞的形态、分布、形成机制和生长动力学,确定了Fe3Al和AlFe3C0.5之间的晶体学取向关系、Al4C3相的晶体学特征和镀铝钢的最佳扩散工艺,讨论了稀土La在扩散过程中的作用和对性能的影响。试验发现:镀铝层的表面层由铝、FeAl3相和一定量的非晶相组成。添加稀土La后,镀层表面平整、连续,合金层的齿状Fe2Al5相整齐、连续、致密,齿形尖细。无论是否添加稀土La,热浸镀铝的铝-铁合金液在急冷过程中都具有非晶形成能力,但添加稀土La后,非晶形成能力增加,即使在缓慢冷却条件下,组织中也有非晶相形成。研究发现,扩散层的Fe2Al5相和FeAl2相存在调幅分解,并且从扩散层表面向内部,调幅组织从平行直线状向平行交叉条纹状再到网格状过渡。采用点阵驻波理论分析了调幅波长的变化,揭示了调幅组织的形成经过从连续相变到非连续相变的过程。利用15％rule,分析了调幅组织的形成原因。研究表明,扩散层的Al4C3相是以（003）为孪晶面,以[001]为旋转轴的180o二次旋转孪晶。它的长轴生长方向为[210],且（003）面平行于杆的长轴,[001]方向垂直于杆的长轴。扩散层有AlFe3C0.5和Al7Fe6La化合物形成。Fe3Al和AlFe3C0.5相之间存在如下的晶体学取向关系:试验表明,扩散层生长动力学为抛物线型,且稀土对动力学各阶段都有影响。在750℃和850℃时稀土作用明显,950℃时作用较弱。Al2O3/扩散层界面空洞的生长受氧化过程控制,且遵循近似的抛物线规律;空洞深度与直径间存在线性关系,空洞数量先增加后减少。次外层/过渡层界面空洞的形成原因是铝和铁扩散速度的差异引起的,其生长划分为快速和稳定生长两阶段;界面空洞的形成使扩散层产生了内氧化,并使氧化动力学曲线偏离平方抛物线规律而呈现抛物线—直线规律。试验证明,稀土可抑制次外层/过渡层界面空洞的生长和聚集,阻止空洞聚集成线状裂纹,其原因是热浸镀稀土铝后表面层减薄,高温下降低了次外层/过渡层界面铝的浓度梯度。镀铝钢的最佳扩散工艺为900℃×2h。研究了热浸镀稀土铝钢在H2S和CO2腐蚀环境中的腐蚀行为,得出稀土可提高镀铝钢的抗腐蚀性能。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 引言

1.2 钢材的渗铝技术

1.2.1 渗铝技术的发展现状

1.2.2 渗铝层的组织结构

1.3 热浸镀铝技术的研究现状

1.3.1 热浸镀铝层的组织结构

1.3.2 镀铝时液态铝的漫流、浸润和铁的溶解过程

1.3.3 镀铝时金属间化合物相区的形成过程

1.3.4 热浸镀铝合金层生长动力学

1.3.5 热浸镀铝钢扩散层的组织结构

1.3.6 热浸镀铝钢的性能

1.4 稀土在化学热处理应用中的研究现状

1.4.1 稀土元素的原子结构及其性质

1.4.2 稀土在渗碳、渗硼及其复合渗中的应用

1.4.3 稀土在热浸镀中的应用

1.4.4 稀土在化学热处理中的作用机理

1.4.5 稀土在化学热处理中应用研究的发展方向

1.5 本论文的研究内容

2 热浸镀铝层的微观组织及稀土的影响

2.1 试验材料、设备、步骤和方法

2.2 试验结果和分析

2.2.1 镀铝层的组织形态及稀土La 的影响

2.2.2 镀铝层的相结构及稀土La 的影响

2.2.3 热浸镀稀土铝层中La 的分布

2.2.4 热浸镀稀土镧铝钢的表面层和合金层厚度

2.3 讨论

2.3.1 稀土La 对镀件表面形貌的影响

2.3.2 稀土La 对镀件表面层和合金层厚度的影响

2.3.3 稀土La 的渗入机理

2.3.4 镀层中非晶的形成原因

2.4 本章小结

3 热浸镀铝钢扩散层的组织结构和稀土的影响

3.1 试验材料、设备、步骤和方法

3.2 扩散层的组织形貌及稀土 La 的影响

3.3 扩散层的微观结构及稀土 La 的影响

3.3.1 热浸镀稀土镧铝后扩散层的微观结构

3.3.2 热浸镀铝后扩散层的微观结构

3.4 扩散层的调幅分解组织

3.4.1 扩散层调幅分解组织特征

3.4.2 调幅分解组织的形成

3.5 扩散层中Al_4C_3相的晶体学特征

3.6 热浸镀稀土镧铝后扩散层的 La 分布

3.7 讨论

3.7.1 稀土 La 的扩散

3.8 本章小结

4 镀铝钢扩散层生长动力学及稀土的影响

4.1 试验材料、设备、步骤和方法

4.2 扩散层厚度增量的试验结果及计算机处理

4.2.1 扩散层厚度增长动力学的实验测定

4.2.2 扩散层厚度增长动力学的数学模式

4.3 扩散过程中镀铝层/基体界面层生长的数学模型

4.3.1 建立界面层生长数学模型的意义

4.3.2 合金层/基体界面层生长的数学模型

4.3.3 试验验证

4.4 扩散层的铝分布和稀土 La 对α-Fe 点阵参数的影响

4.5 讨论

4.5.1 稀土 La 对扩散层生长动力学过程的影响

4.5.2 不同扩散工艺下稀土 La 的作用

4.5.3 稀土 La 对铝原子扩散的影响

4.6 本章小结

5 镀铝钢扩散层空洞的生长及稀土的影响

5.1 试验材料、设备、步骤和方法

5.2 Al_2O_3/扩散层界面空洞的生长及稀土 La 的影响

5.2.1 镀铝钢1000℃氧化动力学

5.2.2 热浸镀铝和稀土镧铝后的表面层厚度

5.2.3 Al_2O_3/扩散层界面空洞的形态和分布

5.2.4 界面空洞平均直径随氧化时间的变化

5.2.5 空洞平均深度与直径的关系

5.2.6 单位面积上空洞数量与氧化时间的关系

5.3 次外层/过渡层界面空洞的生长及稀土的影响

5.3.1 镀铝钢800℃氧化动力学

5.3.2 扩散层的扫描电镜形貌和微观组织

5.3.3 次外层/过渡层界面空洞的形态和分布特征

5.3.4 界面空洞平均直径与氧化时间的关系

5.3.5 界面空洞数量与氧化时间的关系

5.4 讨论

5.4.1 Al_2O_3/扩散层界面空洞的形成原因

5.4.2 稀土La 对Al_2O_3/扩散层界面空洞长大速度的影响

5.4.3 稀土La 对Al_2O_3/扩散层界面空洞形核深度和速度的影响

5.4.4 次外层/过渡层界面空洞的形成机制

5.4.5 次外层/过渡层界面空洞带的形成过程

5.4.6 氧化时间对次外层/过渡层界面空洞生长的影响

5.4.7 稀土La 对次外层/过渡层界面空洞生长的影响

5.5 本章小结

6 镀铝钢的扩散工艺和抗腐蚀性能

6.1 试验材料、设备、步骤和方法

6.2 镀铝钢的扩散工艺

6.2.1 热浸镀铝钢扩散处理后的氧化动力学

6.2.2 热浸镀铝钢扩散处理后的抗循环剥落性能

6.2.3 高温氧化和剥落前后扩散层微观组织形貌

6.3 镀铝钢的抗腐蚀性能

6.3.1 镀铝钢的抗H_2S 腐蚀性能

6.3.2 镀铝钢的抗CO_2腐蚀性能

6.4 讨论

6.4.1 扩散层空洞对氧化动力学的影响

6.4.2 扩散工艺对抗氧化性能的影响

6.4.3 扩散工艺对抗循环剥落性能的影响

6.4.4 稀土La 对热浸渡铝钢耐蚀性能的影响

6.5 本章小结

全文工作总结及结论

1 论文的主要工作与结论

2 论文的创新性

致谢

参考文献

在博士学位论文工作期间发表的论文