熱浸鍍Zn-Al-Mg合金過(guò)渡層組織的研究

霍鏡亮，武建軍，馬瑞娜，曹曉明，謝依燁

（河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

熱浸鍍Zn-Al-Mg合金過(guò)渡層組織的研究

霍鏡亮，武建軍，馬瑞娜，曹曉明，謝依燁

（河北工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300130）

為了獲取性能更佳的界面組織，探究了Mg元素對(duì)熱浸鍍Zn-Al合金界面組織的影響.以熱浸鍍廣泛應(yīng)用的Galfan合金為基礎(chǔ)，在其中加入不同含量的Mg元素，將其作為鍍液進(jìn)行熱浸鍍實(shí)驗(yàn)，對(duì)浸鍍后樣品的截面與腐蝕后表面進(jìn)行觀察與分析.闡述了熱浸鍍Zn-Al-Mg合金過(guò)渡層組織及性能特點(diǎn).實(shí)驗(yàn)表明，熱浸鍍Zn-Al-Mg合金過(guò)渡層厚度隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度達(dá)到540℃時(shí)，過(guò)渡層厚度達(dá)到最大值.Mg元素可以細(xì)化晶粒，提高M(jìn)g含量可使過(guò)渡層與基體界面趨于平直，使過(guò)渡層變薄.Mg原子在反應(yīng)過(guò)程中滲入Fe-Al化合物中，改變了其晶體結(jié)構(gòu)，使組織更加致密并提高了過(guò)渡層的顯微硬度.

熱浸鍍；Zn-Al-Mg合金；過(guò)渡層；Fe-Al反應(yīng)；細(xì)化晶粒

熱浸鍍Zn-Al-Mg合金具有耐腐蝕性優(yōu)異、能源資源節(jié)約等特點(diǎn)，是防護(hù)鋼鐵腐蝕理想的涂層材料[1-3].但是，由于高Al、Mg元素的加入容易造成施鍍困難、漏鍍、鍍層表面質(zhì)量差的問(wèn)題，大大影響其應(yīng)用和推廣.熱浸鍍后，合金鍍層由2部分組成：靠近鋼基體的過(guò)渡層和外部的自由凝固層.過(guò)渡層一般是由金屬間化合物組成，自由凝固層則是由鍍液凝固而成.合金元素的添加往往會(huì)在鋼與鋅液之間形成界面層，或者改變界面層各相的形成順序從而改變Fe-Zn之間的反應(yīng)[4-5].通過(guò)控制界面反應(yīng)可以獲得致密且性能穩(wěn)定、厚度適宜、與鍍層連接性能良好的過(guò)渡層，適當(dāng)?shù)倪^(guò)渡層是保證鍍層質(zhì)量與耐腐蝕性能的關(guān)鍵因素[6-8]. Zhao Manxiu等研究表明[9]，在鋅鋁鍍液中加入合金元素釩可以使過(guò)渡層變薄，其原因是釩原子滲入到過(guò)渡層的鐵鋁化合物中，抑制了Fe-Al相的生長(zhǎng).李凱良等人認(rèn)為，Mg含量的增加使Fe-Al合金層生長(zhǎng)速率指數(shù)降低，使合金層更加穩(wěn)定致密[10].

本文對(duì)不同Mg含量的Zn-Al合金在不同浸鍍溫度工藝條件下的浸鍍樣品過(guò)渡層的組織與性能進(jìn)行了研究，給出了其變化規(guī)律并總結(jié)原因.

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

實(shí)驗(yàn)所用合金鍍液由Galfan合金和工業(yè)純Mg（99.99%）按不同的比例配制而成，其化學(xué)成分組成如表1所示.基體材料Q235鋼經(jīng)線切割設(shè)備加工成尺寸為100 mm×30 mm×1.5 mm的薄片，經(jīng)打磨處理后采用溶劑法進(jìn)行熱浸鍍.具體工藝流程為前處理（堿洗，水洗，酸洗，水洗）→助鍍處理→烘干→熱浸鍍→冷卻→成品.借助S-4800掃描電鏡觀察過(guò)渡層組織.將自由凝固層腐蝕掉露出過(guò)渡層后，用GENESIS XM能譜儀、D/Max 2500PC型X射線衍射儀與HMV-2T顯微硬度儀分析組織及性能.

表1Zn-Al-Mg合金成分%Tab.1 Composition of Zn-Al-Mg

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱鍍溫度對(duì)過(guò)渡層組織的影響

圖1為熱鍍合金液分別為Galfan合金，Mg含量依次為1%，3%，5%的Galfan合金在熱浸鍍時(shí)間為40 s時(shí)，過(guò)渡層厚度隨溫度變化關(guān)系.可見(jiàn)，溫度對(duì)過(guò)渡層厚度影響極大.低溫階段（＜480℃），過(guò)渡層厚度很薄，幾乎很難觀察到.當(dāng)溫度達(dá)到480℃時(shí)，過(guò)渡層開(kāi)始形成，此后隨著溫度的升高，過(guò)渡層厚度迅速增大.當(dāng)溫度為540℃時(shí)，過(guò)渡層厚度達(dá)到最大值.過(guò)渡層厚度由反應(yīng)擴(kuò)散和過(guò)渡層溶解控制，鐵鋁反應(yīng)擴(kuò)散隨著溫度提高而加速，過(guò)渡層厚度隨之增加；當(dāng)達(dá)到540℃時(shí)，過(guò)渡層溶解的速率與生成速率趨于平衡.

圖1 不同Mg含量過(guò)渡層厚度隨溫度變化關(guān)系圖Fig.1 The relationship of interface layer thickness with temperature change and different Mg content

圖2 不同Mg含量合金橫截面鍍層微觀組織圖（540℃，40 s）Fig.2 Microstructure of cross section with different Mg content（540℃，40 s）

2.2 Mg含量對(duì)過(guò)渡層組織的影響

圖2顯示了熱鍍溫度在540℃，熱浸鍍時(shí)間40 s條件下，不同Mg含量合金鍍層橫截面微觀形貌.從圖中可以看出，熱浸鍍 Zn-Al-Mg合金鍍層由過(guò)渡層和自由凝固層2部分組成，過(guò)渡層中有縫隙與溝壑狀組織.Galfan合金的過(guò)渡層與基體界面處呈鋸齒狀，隨著Mg含量的增大，組織變得均勻，界面處趨于平直.Mg含量對(duì)過(guò)渡層的厚度也有影響，熱浸鍍溫度為540℃時(shí)，熱浸鍍Galfan合金的過(guò)渡層平均厚度為73 μm，當(dāng)Mg含量為1%時(shí)，過(guò)渡層平均厚度為70 μm，Mg含量為3%時(shí)，過(guò)渡層平均厚度為48μm，Mg含量為5%時(shí)，過(guò)渡層平均厚度為37μm.過(guò)渡層隨著Mg含量增加，厚度逐漸變薄.

圖3 Mg含量對(duì)Zn-Al-Mg合金鍍層的過(guò)渡層形貌和相組成的影響Fig.3 Effect of Mg content on morphology and phase composition of interface layer of Zn-Al-Mg alloy coating

圖3為熱浸鍍不同成分Zn-Al-Mg合金過(guò)渡層的組織和X射線衍射譜.由圖中可以看出，過(guò)渡層組織多為塊狀或柱狀，大部分顆粒尺寸均在5 μm以下.隨著合金中Mg含量提高，組織逐漸由棒狀變?yōu)榱睿叽缱冃?Galfan、1%Mg和3%Mg合金過(guò)渡層均由Fe2A15Zn0.4、Al13Fe4及富Zn相組成，在5%Mg合金過(guò)渡層中出現(xiàn)了MgZn2相.隨著Mg含量的增加，Al13Fe4相峰的強(qiáng)度增加，說(shuō)明Al13Fe4相對(duì)含量增加.

XRD譜分析表明，與純Galfan合金過(guò)渡層相比，1%Mg、3%Mg、5%Mg相對(duì)應(yīng)的Fe2Al5Zn0.4的峰值都發(fā)生左移.這是由于Mg原子滲入到過(guò)渡層組織中，F(xiàn)e2Al5Zn0.4的晶格常數(shù)改變?cè)斐傻?Mg原子半徑小于Al原子半徑，在擴(kuò)散反應(yīng)過(guò)程中，Mg原子占據(jù)了Fe2Al5Zn0.4晶格中 Al原子的位置.Mg原子進(jìn)入Fe2Al5Zn0.4相時(shí)引起的晶格畸變阻礙了Fe和Al的擴(kuò)散反應(yīng)，抑制了Fe2Al5Zn0.4相的生長(zhǎng)，使過(guò)渡層厚度減小.同時(shí)隨著Mg元素的增加，過(guò)渡層晶粒尺寸減小，從而導(dǎo)致過(guò)渡層與基體界面趨于平直.

圖4 過(guò)渡層硬度隨Mg含量變化曲線Fig.4 Curve of micro hardness of interface layer in difficult Mg contents

過(guò)渡層硬度隨Mg含量變化如圖4所示.Galfan合金過(guò)渡層顯微硬度約為370 HV，當(dāng)添加Mg元素含量為1%、1.5%、2%、3%時(shí)，過(guò)渡層硬度分別為約為405 HV、420 HV、430 HV、460 HV.隨著Mg含量的增加，Mg溶入Fe2Al5Zn0.4，細(xì)化過(guò)渡層組織，從而提高了過(guò)渡層的硬度.

3 結(jié)論

1）熱浸鍍Zn-Al-Mg合金過(guò)渡層厚度隨溫度升高而增大，當(dāng)溫度為540℃時(shí)，過(guò)渡層厚度達(dá)到最大值，過(guò)渡層溶解速率與生成速率趨于平衡.

2）隨著Mg含量增大，過(guò)渡層厚度逐漸變薄，過(guò)渡層與基體界面處由鋸齒狀逐漸趨于平直.

3） 過(guò)渡層主要由Fe2Al5Zn0.4，Al13Fe4等Fe-Al化合物組成，Mg可以細(xì)化晶粒，使過(guò)渡層組織變得致密，使其顯微硬度增加.Mg原子滲入過(guò)渡層鐵鋁化合物中，抑制過(guò)渡層的形成.

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[3]李鋒，呂家舜，楊洪剛，等.鋅鋁鎂鍍層鋼板的研究進(jìn)展[J].中國(guó)表面工程，2013，30（2）：45-46.

[4]Naoki Takata，Manamu Nishimoto，Satoru Kobayashi.Morphology and formation of Fe-Al intermetallic layers on iron hot-dipped in Al-Mg-Si alloy melt[J].Intermetallics，2014，54：136-142.

[5]Yao Caizhen，Lv Haibing，Zhu Tianping.Effect of Mg content on microstructure and corrosion behavior of hot dipped Zn-Al-Mg coatings[J].Science Direct，2015，670：239-248.

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[9]Zhao Manxiu，Cai Yangsheng，Yin Fucheng.Effect and controlling mechanism of vanadium on Fe-Al interface reaction in Al-Zn bath[J].Surface and Coatings Technology，2015，306（2）：408-417.

[10]李凱良，吳長(zhǎng)軍，彭浩平，等.Mg對(duì)Zn-11%Al合金鍍層凝固組織及合金層生長(zhǎng)的影響[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016，38（8）：1123-1131.

[責(zé)任編輯 田 豐]

Microstructure of interface layer of hot-dip galvanizing Zn-Al-Mg alloy coating

HUO Jingliang，WU Jianjun，MA Ruina，CAO Xiaoming，XIE Yiye
（School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

In order to get better interface organization，this paper explores the effect of Mg on the interface microstructure of hot-dip Zn-Al alloy.This paper is based on Galfan which is widely used.The dipped section and surface corrosion samples were observed and analyzed while putting difficult contents of Mg into Galfan for hot dip experiments.The characteristics of microstructure and performance of interface layer of hot-dip galvanizing Zn-Al-Mg alloy coating is expounded.Results show that the thickness of hot dip Zn-Al-Mg alloy interface layer increases with the temperature: when the temperature is 540℃,the thickness of the interface layer reaches the maximum.Mg can refine grain,increasing the content of Mg can make the interface near matrix tend to be straight and make the interface thinner.Mg atoms penetrate into the Fe-Al compounds in the reaction process,and the crystal structure of the Fe-Al compound is changed,thus making the microstructure denser and the micro hardness is increased.

hot-dip galvanizing；Zn-Al-Mg alloy；interface layer；Fe-Al reaction；grain refinement

TG174.4

A

1007-2373（2017）01-0083-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.014

2016-12-09

國(guó)家自然科學(xué)基金（51601056）；河北省教育廳項(xiàng)目（QN20131036）

霍鏡亮（1989-），男，碩士研究生.

：馬瑞娜（1977-），女，副教授，11764798@qq.com.