熱浸Zn-02wt%Al鍍層中Fe-Al抑制層失穩(wěn)機(jī)理及其熱力學(xué)評(píng)價(jià)

1、熱浸Zn-0.2 wt.%Al鍍層中Fe-Al抑制層失穩(wěn)機(jī)理及其熱力學(xué)評(píng)估熱浸鍍鋅是鋼鐵防大氣腐蝕的有效手段之一，在電力，交通，通訊，家用電器， 建筑等各行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。鋁是熱浸鍍鋅工業(yè)中最常采用的添加元素之一，在連續(xù)熱鍍鋅和批量熱鍍鋅領(lǐng)域都得到廣泛使用。GI鍍層(Galvanized coating)在連續(xù)熱鍍鋅上大量使用，具鋁含量一般控制 在0.16 -0.22 wt.%,浸鋅時(shí)間極短，一般控制在幾秒。批量熱鍍鋅中鋁含量控制 很低一般在0.002 - 0.01wt.%,主要作用是減少鋅液面氧化。因GI鍍層具有鍍層薄，形變能力強(qiáng)，耐蝕性高等優(yōu)點(diǎn)，正有向批量熱浸鋅行 業(yè)擴(kuò)展的趨勢(shì)。當(dāng)前對(duì)低鋁

2、熱鍍鋅的界面鍍層生長(zhǎng)機(jī)理的研究還存在眾多爭(zhēng)議與 不解，如Fe-Al抑制層優(yōu)先生成與失穩(wěn)分解的原因，F(xiàn)e-Zn金屬間化合物 (Intermetallic compound,IMC)反應(yīng)的位置以及方式，整個(gè)低鋁熱鍍鋅體系相的轉(zhuǎn)變動(dòng)力本質(zhì)等，這些都有待更深入的研究。本工作圍繞上述問(wèn)題開(kāi)展了相關(guān)研究工作，選取常見(jiàn)的Q235鋼材為基體,Zn-0.2wt.%Al的鍍液，研究了 450、470和490c ,10300 s下界面反應(yīng)的演 變規(guī)律與IMC各相轉(zhuǎn)變機(jī)理。采用掃描電鏡(SEM)觀察鍍層橫截面和剝離自由鋅 層后表面的結(jié)構(gòu)特征，利用能譜儀(EDS)定量分析相的微區(qū)成分以及利用其線掃 描和面掃描定性分析鍍

3、層中IMC分布及元素變化情況，并根據(jù)X射線彳方射(XRD) 確定相組成。借助Miedema模型和Toop模型，計(jì)算了鍍層中各二元Fe-Al,Fe-Zn和三元 Fe2Al5Znx(")IMC的熱力學(xué)值,分析了隨浸鋅時(shí)間的延長(zhǎng)，出現(xiàn)Fe2Al5抑制層失 穩(wěn)破壞而產(chǎn)生Fe-Zn反應(yīng)的根本原因，并探討了不同溫度下抑制層失穩(wěn)形式的差別，提出了更加完善的Fe2A15抑制層破壞理論。主要取得了如下研究成果：鋼基 體浸入Zn-0.2 wt.%A1液中,Fe2A15抑制層優(yōu)先在鋼基體界面生成。由于在鋼基體/鋅浴界面Fe-Al IMC反應(yīng)消耗高濃度的A1,使得緊鄰Fe2A15 層的鋅浴中的A1出現(xiàn)局部貧

4、化，甚至低于鋅浴本體中A1的濃度。因?yàn)镕e2A15 會(huì)阻礙Fe向鋅浴中溶解，這將導(dǎo)致A1要通過(guò)長(zhǎng)程擴(kuò)散才能與基體 Fe反應(yīng)生成 Fe2A15,使得反應(yīng)受擴(kuò)散控制，也即動(dòng)力學(xué)控制。隨著界面處A1的消耗,Fe2A15生成受動(dòng)力學(xué)控制時(shí)，反應(yīng)速率將下降，甚至 停滯，從而Fe-Zn反應(yīng)在熱力學(xué)上的劣勢(shì)將削弱,Fe-A1反應(yīng)將與Fe-Zn反應(yīng)形成 競(jìng)爭(zhēng)，由于此時(shí)界面貧A1處Zn含量極高，使得Fe-Zn反應(yīng)將在動(dòng)力學(xué)上占據(jù)優(yōu)勢(shì) 進(jìn)而出現(xiàn)明顯的Fe-Zn反應(yīng)。Fe2A15抑制層隨鍍鋅時(shí)間的增加而破壞，隨后發(fā)生 Fe-Zn反應(yīng)。Fe2A15抑制層的失穩(wěn)有兩種原因，也分別對(duì)應(yīng)兩種不同位置的6相生成：一 是A1的

5、局部貧化理論,Fe2A15臨近鋅浴層局部出現(xiàn) A1的貧化,Fe2A15生成反應(yīng) 受阻,Zn得以侵蝕Fe2A15,固溶為Fe2A15Znx("),熱力學(xué)計(jì)算表明”的穩(wěn)定性低 于Fe2A15,當(dāng)Zn固溶量達(dá)到一定限度后會(huì)失穩(wěn)分解，在鋅浴/Fe2A15之間形成6 相，相變過(guò)程可以描述為:Fe2A15 - 4 - L+r -L+4 + 6-L+6 ;另一種是Zn擴(kuò)散 貫穿抑制層理論，Zn既可以經(jīng)由Fe2A15的晶界貫穿擴(kuò)散到鋼基體，也可以對(duì) Fe2A15侵蝕造成腐f4應(yīng)力開(kāi)裂，進(jìn)而在鋼基體/Fe2A15之間形成6相，引起迸發(fā) 組織的形成。不同溫度下，對(duì)于Fe-Zn反應(yīng)6形成的位置會(huì)有所差異。

6、450c下，無(wú)直接證據(jù)表明Zn擴(kuò)散貫穿抑制層效應(yīng)和A1的局部貧化效應(yīng)哪種 先使得6相生成。在470c下,Al的局部貧化理論和Zn擴(kuò)散貫穿抑制層理論兩者 相互博弈中開(kāi)始是A1的局部貧化效應(yīng)占據(jù)優(yōu)勢(shì)，而后才產(chǎn)生Zn擴(kuò)散貫穿抑制層 效應(yīng)。490c下情況與470c類(lèi)似，只是IMC生成的時(shí)間上要相對(duì)提前。熱力學(xué)計(jì)算 結(jié)果表明:Fe-Al IMC比Fe-Zn IMC具有更低的反應(yīng)Gibbs自由能,鋼基體浸在 Zn-0.2 wt.%Al液中時(shí)Fe-Al IMC為優(yōu)先生成相，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合。由于Zn的固溶,Fe2Al5Znx比Fe2Al5熱力學(xué)穩(wěn)定性差，該結(jié)果可以直接證實(shí) Al的局部貧化理論，同時(shí)迸發(fā)的Fe2

7、Al5晶體也會(huì)被Zn侵蝕，且迸發(fā)的碎片化 Fe2Al5更易被Zn的侵蝕分解，間接吻合Zn擴(kuò)散貫穿抑制層理論，兩種Fe2Al5失 穩(wěn)機(jī)制相互共存，相互競(jìng)爭(zhēng)，且會(huì)受制于溫度、時(shí)間和 Al含量以及鋼基體表面本 身的性質(zhì)的影響，在特定條件下可能某一種會(huì)占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。單一熱力學(xué)因素不 足以解釋不同溫度下,Fe2Al5抑制層形成的時(shí)間有所差異，即溫度越高,Fe2Al5 越難形成。事實(shí)上490c時(shí)Fe2Al5連續(xù)抑制層在10 s時(shí)已經(jīng)生成，而且Fe-Al抑制層 上方已經(jīng)開(kāi)始發(fā)生了 Fe-Zn反應(yīng)，相比而言,450 C時(shí)30 s才出現(xiàn)明顯的Fe-Zn 反應(yīng),470 C30 s才出現(xiàn)Fe-Al抑制層，這說(shuō)明溫度的升高雖然在熱力學(xué)方面阻礙 了 Fe2Al5抑制層的生成，但卻并非是完全決定的單一因素，因?yàn)闇囟壬呦鄬?duì)足 夠大時(shí)，在動(dòng)力學(xué)上的效