鋼基表面熱鍍耐蝕合金若干關鍵問題的理論研究及應用開發(fā)技術.pdf

1、金屬(主要指鋼鐵)腐蝕是指金屬與周圍環(huán)境中的介質發(fā)生化學或電化學反應，使金屬遭到破壞的現象。 金屬腐蝕造成的直接經濟損失約占國民經濟總產值的l～4％。金屬腐蝕不僅造成經濟上的損失，而且造成自然資源和能源的浪費，有時還會危及人身安全!隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，大氣環(huán)境也在不斷惡化，特別是沿海地區(qū)和重工業(yè)污染區(qū)，金屬腐蝕現象越發(fā)嚴重。 本論文著重對“電解活化助鍍劑法熱鍍鋁鋅合金工藝”中的合金成份、助鍍劑、熱鍍溫度、鍍層厚度、

2、產品耐蝕性能及耐蝕機理等問題進行了較為深入的研究，主要成果可概括如下： 1．采用高分辨透射電子顯微鏡(HRTEM)、x射線能譜儀對熱鍍1～8％Al—Zn—RE合金鍍層微結構進行研究，發(fā)現熱鍍5％Al—Zn—RE合金鍍層存在非晶組織結構，成份為0：Al：Zn=5.69％：70.24％：24.07％(wt)，可以認定該非晶態(tài)物質是以Al為主的Al—Zn合金，且含有少量氧化物。通過對熱鍍過程進行分子動力學模擬，弄清了非晶物質的生成機制

3、。差式掃描顯熱分析和液相(非晶相)合金混合自由能計算結果表明，在一定冷卻速度下，Al以非晶態(tài)形式結晶，在Zn核晶間形成以A1為主的A1-Zn合金非晶結構。這項研究成果進一步豐富完善了用于解釋合金鍍層耐蝕機理的“雙富相理論”和“腐蝕產物理論”，深刻揭示了5％A1-Zn鍍層具有特異耐蝕性能的根源。 2．分子動力模擬是研究微觀動力學過程的有力手段，其研究結果對于尋找新型耐蝕金屬鍍層具有重要的理論指導意義。本論文以分子動力模擬為手段，采

4、用FS多體勢模型，研究了液態(tài)Cu、Au<,3>Cu、Al<,3>Ni、Ni<,3>A1快速凝固過程中的結構變化，結果表明，降溫冷卻速率對金屬或合金的結構變化及終態(tài)結構均有重要影響。 Cu快速凝固時，非晶形成溫度約為800K。模擬結果與熱鍍銅層的耐蝕實驗結果基本吻合，快冷工藝所得樣品的耐蝕性能明顯好于慢冷。 Au<,3>Cu的結晶過程中會出現局域團簇結構重組現象：在凝固過程中出現了表征bcc結構的166l和1421鍵對和表

5、征廿面體結構的1551鍵對向1421、1422結構的轉變，形成。Fcc、hcp占優(yōu)的晶體。慢冷有利于Au<,3>Cu晶體的形成。 相同的冷卻速度(4×10<,11>K/s)下，A1<,3>Ni和Ni<,3>Al結晶與否取決于合金中A1、Ni的原子配位數，Al含量高，系統(tǒng)的有序度低，反之則系統(tǒng)的有序度高，因而Al<,3>Ni形成非晶，而Ni<,3>A1出現結晶現象。 3．在深入研究助鍍機理和助鍍劑結構與活性關系的基礎上，經

6、反復實驗，研制出一種新型助鍍劑：硼系活性助鍍劑。它以改性6-β-CD-COOH為定向選擇劑，三氟化硼+乙醚絡合物為低溫抗氧化分解劑，二氯化錫為置換劑，輔以石墨為陽極，鋼基材料為陰極，組成“新型硼系電解活化助鍍劑法熱鍍鋁鋅合金工藝”。這種助鍍劑可以低溫分解，從而降低了熱鍍溫度，提高了鋼基材料的抗拉強度，使抗拉強度由1175N/mm<'2>提高到1370N/mm<'2>以上，極大的擴展了產品的應用范圍。 4．在分析提抽工藝過程的基礎

7、上，建立了抽提過程的數學模型，導出了提抽過程鍍層厚度與提抽速度、粘度、耐蝕合金組成之間的關系，結果表明，提高鋼基提抽速度是增加鍍層厚度的最有效措施。通過調整熱鍍操作溫度，使粘度變化，進而增加鍍層厚度的傳統(tǒng)工藝方法，不適用于鋼基熱鍍鋁鋅合金鍍層工業(yè)過程。理論研究結果提示我們，提高鍍層厚度只能從提高提抽速度和改善提抽口還原氣氛入手。 5．利用θ-θX射線衍射和分子力學模擬從實驗和理論兩方面研究了Al<,3>Fe熔體結構，結果顯示熔體

8、中Al和Fe原子之間存在較強的相互作用，存在著類似化合物結構的原子團簇。這說明當Zn-55％Al熱浸鍍熔體中Fe含量積累到一定程度時，在熔體中優(yōu)先形成類似A1<,3>Fe的原子團簇，進而形成熔渣。在Al的有效硬球直徑減小而Fe的增大的情況下，利用Percus-Yevick硬球模型較好地擬合了結構因子實驗曲線的第一峰，從而給出了Al<,3>Fe的密度為3.65g/cm<'3>，它小于實際熱浸鍍55％Al-Zn熔體的密度3.7g/Cm<'3

9、>，較好地解釋了“熔渣”上浮的現象。 6．利用暫態(tài)線性極化技術研究了鋼基表面熱鍍層的耐蝕性能。不論在何種腐蝕介質及pH條件下，55％Al一43.4％Zn-1.6％Si合金鍍層的耐蝕性能均高于純鋅鍍層。Zn鍍層的腐蝕產物不論在何種介質中皆為結晶態(tài)物質，并且分布不均，對鍍層無防護作用，而55％A1-43.4％zn-1.6％Si合金鍍層的腐蝕產物除在NaCl溶液中外皆為結構致密的非晶態(tài)物質，對鍍層有較強的防護作用。純鋅鍍層以及55％A

10、I一43.4％Zn-1.6％Si合金鍍層在工業(yè)大氣環(huán)境中的耐蝕能力均強于海洋性環(huán)境中。 7．用電子探針二次成像技術觀察了各種鍍層腐蝕產物的形貌，用X一射線衍射技術測定了腐蝕產物的結構及晶態(tài)物質的組成，結果表明，在NaCl介質中，55％AI-43.4％Zn-1.6％Si合金鍍層的腐蝕產物主要為結晶良好的堿式氯化鋅，不能阻止鍍層的進一步腐蝕；而在Na<,2>SO<,4>和NaCI+Na<,2>so<,4>介質中皆能形成結構致密的非晶

11、態(tài)物質，可以減緩鍍層的進一步腐蝕。S0<,4><'-2>一的存在是形成非晶態(tài)物質的根本原因。55％A1-43.4％Zn-1.6％Si合金鍍層不論在內陸工業(yè)區(qū)還是在沿海工業(yè)區(qū)都具有較高的耐蝕性能，但在純海洋性環(huán)境中耐蝕性能較差。該研究工作表明，55％Al一43.4％zn-1.6％Si合金鍍層良好的耐蝕性能除與其自身的組成和微觀結構有關外還與其腐蝕產物有關。表明“雙富相理論”和“腐蝕產物理論”是相輔相成的。 8．采用零電阻電流測量