Si对Fe-Al反应过程中Fe2Al5相生长动力学的影响

摘要

热浸镀锌是一种常见的钢铁防腐方法。其中Zn-Al镀层由于具有优异的耐蚀性而得到广泛应用。目前发展最快的是美国伯利恒钢铁公司开发的Galvalume(Al55-Zn43.5-Si1.5)合金镀层。Galvalume镀层结构复杂,其中Fe2Al5对工艺及镀层性能起着关键作用,而硅对Fe2Al5的生长有着重要的影响。本文作为系统研究的一部分,忽略Zn的影响,利用金相显微镜、扫描电镜与能谱仪、波谱仪(SEM-EDS、SEM-WDS)等检测设备,研究了Si对Fe-Al中间相组织演变和Fe2Al5生长动力学的影响。
　　通过Fe/(Al-Si)固态扩散偶实验,发现在硅含量为0、0.5、1.0和1.5(wt％)时,扩散层中只形成Fe2Al5相,实验测得此时Fe2Al5的扩散系数分别为3.46×10-15、2.61×10-15、1.28×10-15和0.86×10-15m2/s,随着硅含量的增加,其扩散系数减小。当含硅量增加到2.0wt%以上时,首先出现Fe2Al5相。随着扩散时间的延长,在Fe2Al5相靠近Al-Si一侧依次出现了τ1/τ9和τ5相,化合物层生长速度明显加快。由于部分硅以三元化合物的形式存在,从而导致硅的抑制作用下降。
　　通过热浸镀铝(硅)实验,发现Fe2Al5的厚度随着硅含量的增加而迅速降低,其生长动力学符合抛物线关系。实验测定了Fe2Al5的扩散激活能在含硅量分别为0、0.5、1.0、1.5、2.0和3.0(wt%)时,分别为207、186、169、168、167和172kJ/mol。当铝液中的含硅量小于1.0wt%时,Fe2Al5的扩散激活能明显降低,这是因为硅原子使Fe2Al5的频率因子迅速降低,导致了Fe2Al5相生长系数减小;而含硅量大于1.0wt%时,硅原子对Fe2Al5频率因子的影响不明显,其生长系数变化不大,因此Fe2Al5的扩散激活能也几乎保持不变。浸镀纯铝时合金层化合物为FeAl3相和Fe2Al5相,而在铝液中添加硅后,除了FeAl3相和Fe2Al5相外,在Fe2Al5相中还出现了少量的τ1/τ9相。同时和固态扩散类似,硅的加入明显的抑制了Fe2Al5的生长。由于在热浸镀中没有出现τ5相,因而随着硅含量的增加,其对Fe2Al5生长的抑制效果也相应增加。在扩散偶和热浸镀实验中,Fe2Al5中的硅含量都随着铝硅合金中硅含量的增加而缓慢增加。

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符号说明表

第1章 引言

第2章 文献综述

2.1 前言

2.2 热浸镀锌技术的发展及应用

2.3 Galvalume镀层

2.4 热浸镀铝

2.5 扩散偶技术简介

2.6 Fe-Al系扩散的研究现状

2.7 Fe2Al5的晶体结构

2.8 Si对Fe2Al5生长的影响

2.9 本课题研究的主要内容

第3章 Si在Fe/Al固态扩散中对Fe2Al5生长动力学的影响

3.1 实验方法

3.2 实验结果与分析

3.3 本章小结

第4章 热浸镀铝中Si对Fe2Al5生长动力学的影响

4.1 实验方法及原理

4.2 实验结果及讨论

4.3 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A（攻读学位期间发表论文）