合金元素對熱浸鍍鋅界面反應(yīng)影響及相關(guān)相平衡研究.pdf

1、熱浸鍍鋅用于鋼鐵防護已有100多年的歷史,但含硅鋼的硅反應(yīng)性和熱浸鍍鋅時鍍鋅設(shè)備的腐蝕這兩大問題一直困擾著鍍鋅業(yè)。目前抑制硅反應(yīng)性的最有效方法是在鋅池中添加合金元素,最常用的元素為鎳。但鎳僅對硅含量小于0.2％的鋼的硅反應(yīng)性有較好的抑制作用,且鎳的價格昂貴,在鋅池中會形成大量的鋅渣。因此有必要尋求一種低成本且能抑制高硅鋼硅反應(yīng)性的鍍鋅合金。為抑制Fe-Zn界面反應(yīng),提高鍍層表面質(zhì)量,降低成本,或使鍍層獲得更優(yōu)異的使用性能,所有的熱浸鍍鋅

2、池中均添加了不同含量的鋁。鈷基合金因成本低使用性能好被廣泛用于熱浸鍍鋅的沉沒輥等設(shè)備用材料,但隨著鋅池中鋁含量的增加,鍍鋅設(shè)備的使用壽命大大縮短。因此,有必要了解鈷基合金與鋅鋁熔池的相互作用。增加鋅池中的鋁含量可提高鍍層的耐蝕性和耐熱性,熱浸鍍55%Al-Zn是應(yīng)用前景最好的一種鍍鋅技術(shù),但鋁含量高時,鐵會與鋁鋅池中鋁發(fā)生劇烈的放熱反應(yīng),快速形成脆性的鐵鋁化合物,嚴重影響鋼鐵制品的性能。本工作圍繞上述問題開展了相關(guān)研究工作。利用平衡合金

3、法和擴散偶相結(jié)合的方法,借助掃描電鏡-能譜儀-波譜儀、電子探針和X射線衍射等分析技術(shù)研究了Zn-Al-Co、Zn-Co-Ni和Zn-Fe-Co-Si系的相平衡。通過浸鍍實驗研究了Co、Ni、Si對熱浸鍍鋅界面反應(yīng)的影響,并對其作用機理進行了研究。
　　為弄清鈷基合金與鋅鋁熔池的相互作用及鋅池中Co、Ni的協(xié)同加入對Fe-Zn界面反應(yīng)的影響,本工作研究了Zn-Al-Co系450、600和800℃及Zn-Co-Ni系600和450℃的

4、相關(guān)系。在Zn-Al-Co系450、600和800℃等溫截面中分別存在10個、9個和7個三相區(qū)。除Al3Co外,其它的Al-Co二元化合物均能與液相平衡,AlCo能與所有的Co-Zn二元化合物平衡。Zn在AlCo和Al13Co4中的溶解度隨著溫度的升高而增大,在Al5Co2中的溶解度隨溫度升高而減小,其在AlCo、Al5Co2和 Al9Co2中的最大溶解度分別為12.0、18.1和1.6 at.%。Al在Co-Zn化合物中的溶解度有限,

5、分別不超過0.1、0.3、0.9和1.4 at.%。在本工作中,實驗獲得了CoZn和Co5Zn21的X射線衍射數(shù)據(jù)及晶體結(jié)構(gòu)。在Zn-Co-Ni系600和450℃等溫截面中,均存在三個三相區(qū),α-Co/α-Ni、γ-Co5Zn21/γ-Ni4Zn22和γ2-CoZn13/δ-NiZn8分別形成連續(xù)固溶體。Ni在β1(CoZn)和γ1(CoZn9)中的最大溶解度分別為11.8和8.1 at.%,Co在β1'(NiZn)中的最大溶解度為16

6、.5 at.%。沒有三元化合物存在于Zn-Co-Ni三元系中。
　　為研究Co對Fe-Zn界面反應(yīng)的作用機理及為開發(fā)新型的Zn-Co基合金提供理論基礎(chǔ),本工作研究了Zn-Co-Si三元系450和600℃等溫截面及Zn固定在93at.%的Zn-Fe-Co-Si四元系450℃富鋅角的相關(guān)系。在Zn-Co-Si三元系450和600℃等溫截面中分別存在9個和8個三相區(qū),除β1外,CoSi相能與所有的二元Co-Zn金屬間化合物共存。鋅在Co

7、-Si二元化合物中的溶解度隨著溫度的升高而增大,其在CoSi2,CoSi和Co2Si中的最大溶解度在450℃時分別為2.0、4.3和2.7at.%,在600℃時分別為2.0、6.2和5.4at.%。在Zn-Fe-Co-Si四元系450℃等溫截面中存在兩個四相區(qū)。ζ-FeZn13和ζ-CoZn13形成連續(xù)固溶體。鐵在CoSi2中的溶解度不超過1.2 at.%,而鈷在FeSi2中的溶解度可達7.8 at.%,鋅在(Fe,Co)Si、FeSi

8、2和CoSi2中的最大溶解度分別為1.9、1.5和2.9at.%。硅在二元金屬間化合物ζ-FeZn13中的溶解度是極其有限的,但隨著鈷原子溶解到這個化合物中,硅在ζ-(Fe,Co)Zn13中的溶解度可達到0.8at.%。
　　為開發(fā)低成本且能抑制高硅鋼硅反應(yīng)性的鋅基合金,本工作對不同硅含量的鐵硅合金在含不同Co、Ni成分的鋅池中進行浸鍍,研究了Co或Co-Ni的協(xié)同加入對鍍層組織和生長動力學的影響。研究結(jié)果表明,鋅池中適量的鈷使ζ

9、相呈致密的柱狀分布,避免Diffused-△相及爆發(fā)組織的形成,提高了鍍層表面質(zhì)量。當鋅池中加入鈷后,金屬間化合物層的生長受擴散控制,其厚度與浸鍍時間呈拋物線關(guān)系。鈷對含硅量不大于0.4 wt.%的高反應(yīng)性鋼的Fe-Zn界面反應(yīng)有較好的抑制作用。鋅池中加入0.1 wt.%Co抑制效果最佳。當浸鍍時間不大于180s時,熔池中加入0.05~0.2 Co wt.%或0.05Co-0.05Ni wt.%,對硅含量不大于0.5 wt.%高反應(yīng)性鋼

10、的Fe-Zn界面反應(yīng)均有較好的抑制作用。用所獲得的Zn-Fe-Co-Si四元系的相關(guān)系解釋了鈷對含硅鋼界面反應(yīng)的作用機理。隨著鈷溶解到ζ-FeZn13中,硅在該化合物中的溶解度可達0.8at.%,這避免了硅在ζ-FeZn13晶界的富集及液相通道的形成,促進致密的ζ-FeZn13相層形成,從而抑制了硅的反應(yīng)性。
　　為抑制熱浸鍍55%Al-Zn時Fe-Al界面反應(yīng),本工作研究了鋅鋁池中的硅對鍍層組織和生長動力學的影響。研究結(jié)果表明,

11、熔池中的硅能改變鐵與鋁鋅熔體界面反應(yīng)形成的化合物類型和順序。含硅的Fe2Al5趨于穩(wěn)定,能有效避免Fe基與熔體的直接接觸,抑制熱浸鍍鋅鋁界面反應(yīng)。當熔池中的 Si含量分別為0.6、1.6、2.6、3.0和3.6 wt.%時,Fe2Al5的擴散激活能分別為207、274、275、260和237KJ/mol。實驗獲得了不同浸鍍條件下的Fe2Al5生長速度常數(shù)和熔池中不同含硅量時Fe2Al5的擴散激活能。獲得了熔池中的硅對鍍層中金屬間化合物的