熱浸鍍鋅鋁鎂鍍層顯微組織和耐蝕性研究

肖 偉 梅淑文 張 鵬 孫 愷 于程福

（1. 河鋼集團(tuán)唐鋼公司； 2. 河鋼集團(tuán)鋼研總院）

0 引言

開(kāi)發(fā)更高耐蝕性的鍍層鋼板一直是鍍鋅工作者的目標(biāo)，為此在鍍鋅的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了添加Al、Mg、Ni、Cr等合金鍍層的研究。1985年，日本鋼鐵研究中心研制開(kāi)發(fā)了Zn-4.5%Al-0.1%Mg鍍層鋼板，其商業(yè)名為SuperZinc，在大氣中經(jīng)過(guò)十個(gè)月的暴露實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:熱鍍鋅鎂合金鋼板比普通的熱鍍鋅鋼板的耐蝕性提高了一倍以上[1-2]。此后對(duì)鋅鋁鎂合金鍍層鋼板的研究開(kāi)發(fā)成為熱點(diǎn)，新日鐵、浦項(xiàng)、蒂森、阿賽洛米塔爾、塔塔、奧鋼聯(lián)等紛紛開(kāi)發(fā)了自己的熱鍍鋅鋁鎂專(zhuān)利產(chǎn)品，不同于日本以建筑用為主的“中鋁”熱鍍鋅鋁鎂產(chǎn)品，歐洲的鋅鋁鎂鍍層成分均為“低鋁”設(shè)計(jì)，以汽車(chē)用鋼為主[3]。

鋅鋁鎂鍍層產(chǎn)品具有與熱鍍鋅相當(dāng)?shù)募庸こ尚涡裕约傲己玫哪臀g性、焊接性、耐磨性和涂裝性能，被認(rèn)為是下一代的汽車(chē)用防護(hù)鍍層[4]。本研究在實(shí)驗(yàn)室制備了兩種不同鋅、鋁、鎂元素含量的鍍層鋼板，通過(guò)顯微組織結(jié)構(gòu)的觀察、XRD分析以及鹽霧試驗(yàn)，揭示了“低鋁”鋅鋁鎂鍍層的組織結(jié)構(gòu)特征、耐腐蝕性能以及耐腐蝕機(jī)理。

1 試驗(yàn)材料和方法

1.1 鍍層鋼板制備

熱浸鍍?cè)囼?yàn)在CAG 2000 熱鍍鋅模擬機(jī)上進(jìn)行，基板為普通商業(yè)級(jí)冷軋鋼板SPCC-1，厚度規(guī)格為0.8 mm，鋼板經(jīng)過(guò)脫脂、干燥處理后，進(jìn)行熱浸鍍?cè)囼?yàn)。在熱浸鍍?cè)囼?yàn)過(guò)程中，向熱鍍鋅模擬器內(nèi)通入保護(hù)氣體（95%N2+5%H2），保證鋼板表面不被氧化并且能得到活性表面，鍍液成分為Zn-1.0%Al-1.0%Mg和Zn-2.0%Al-1.5%Mg，鍍液溫度為 460 ℃，熱浸鍍時(shí)間為5 s，鍍后冷卻速度為10 ℃/s。鍍層單面重量約為140 g/m2。

1.2 鍍層組織及耐蝕性試驗(yàn)

利用Sigma-HD掃描電鏡（SEM）對(duì)熱浸鍍鋅鋁鎂鋼板鍍層的微觀組織進(jìn)行了觀察，并利用其能譜附件EDS對(duì)微觀組織中各相進(jìn)行了成分分析，耐腐蝕性能試驗(yàn)在揚(yáng)州高科YWX/Q-020鹽霧腐蝕試驗(yàn)機(jī)上按照GB/T 10125進(jìn)行，利用Empyrean X 射線衍射儀（XRD）對(duì)鍍層物相及鹽霧腐蝕后的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行了分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 鍍層組織及結(jié)構(gòu)

Zn-1.0%Al-1.0%Mg和Zn-2.0%Al-1.5%Mg鍍層鋼板的截面微觀組織及表面微觀組織如圖1所示。

圖1 鋅鋁鎂鍍層微觀形貌

從圖1可以看出，兩種鍍層的截面都是由大面積的塊狀組織和填充其間的枝晶組織組成；鍍層表面也是由塊狀組織和枝晶組織組成，但表面以枝晶組織為主。Zn-2.0%Al-1.5%Mg的枝晶組織比例要明顯高于Zn-1.0%Al-1.0%Mg。

對(duì)鋅鋁鎂鍍層表面進(jìn)行X射線衍射分析，可見(jiàn)鋅鋁鎂鍍層成分主要為鍍層Zn、Al和MgZn2，即鍍層中的Mg以MgZn2的形式存在，鋅鋁鎂鍍層的X射線衍射圖譜如圖2所示。

圖2 鋅鋁鎂鍍層的X射線衍射圖譜

Zn-2.0%Al-1.5%Mg鍍層鋼板的表面微觀組織及元素分析分別如圖3、圖4所示。鍍層表面微區(qū)EDS分析結(jié)果見(jiàn)表1。

圖3 Zn-2.0%Al-1.5%Mg鋅鋁鎂表面顯微組織

圖4 Zn-2.0%Al-1.5%Mg鋅鋁鎂鍍層表面EDS分析

表1 鋅鋁鎂合金鍍層的EDS分析結(jié)果 %

從圖3、圖4和表1可以看出，塊狀組織為初生鋅相（圖3，譜圖72），枝晶組織分為二元共晶相和三元共晶相，其中粗大枝晶為二元共晶相，由富鋅相和MgZn2組成（圖3，譜圖70），細(xì)小枝晶為Zn / MgZn2/ Al三元共晶相（圖3，譜圖73）。

2.2 鋅鋁鎂鍍層的腐蝕電化學(xué)分析

不同鍍層成分在5% NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線如圖5所示。對(duì)極化曲線進(jìn)行擬合，獲得腐蝕電位和腐蝕電流密度，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 極化曲線的擬合結(jié)果

從表2可以看出，Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg的腐蝕電流密度比 Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg的更小，Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg的腐蝕電位比Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg的稍正。因此，綜合腐蝕電化學(xué)結(jié)果可以得出，Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg鍍層的耐蝕性優(yōu)于Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg鍍層的。

2.3 鹽霧試驗(yàn)

按照GB/T 10125要求對(duì)純鋅、Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg和Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg鍍層進(jìn)行鹽霧對(duì)比試驗(yàn)，在500 h、1 000 h、1 500 h、2 000 h、2 500 h分別對(duì)其表面進(jìn)行觀察并照相記錄。不同 鍍層鹽霧試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。

圖5 不同鍍層成分的極化曲線

表3 不同鍍層鹽霧試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

從表3可以看出，純鋅試樣在1 000 h時(shí)局部出現(xiàn)輕微銹點(diǎn)，2 000 h時(shí)的紅銹面積已達(dá)到50%， Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg鍍層在2 000 h時(shí)無(wú)紅銹，2 500 h時(shí)的紅銹面積約為15%，Zn-2.0%Al-1.5 % Mg在2 500 h時(shí)無(wú)紅銹出現(xiàn)。

由此可見(jiàn)，鹽霧試驗(yàn)結(jié)果和腐蝕電化學(xué)結(jié)果一致，即鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性明顯比純鋅鍍層的優(yōu)異，且Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg鍍層的耐蝕性優(yōu)于Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg鍍層的。這可能和Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg鍍層的共晶相含量高相關(guān)，隨著共晶相含量的增大，MgZn2含量增加，耐蝕性提高[5]。

兩種鋅鋁鎂鍍層的鹽霧試驗(yàn)腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射分析結(jié)果基本一致，Zn-2.0% Al-1.5 % Mg鍍層的腐蝕產(chǎn)物衍射結(jié)果如圖6所示。

圖6 鋅鋁鎂鍍層腐蝕產(chǎn)物的X射線衍射圖譜

從圖6可以看出，鋅鋁鎂鍍層的腐蝕產(chǎn)物主要為Zn5（OH）8Cl2·H2O，以及少量Zn5（CO3）2（OH）6和ZnO。不同于純鋅鍍層的腐蝕產(chǎn)物以疏松多孔的ZnO為主，Zn5（OH）8Cl2·H2O的腐蝕產(chǎn)物為不溶性的膠狀物質(zhì)，其存在隔斷了鍍層與外界的物質(zhì)傳輸[6-7]，有效地抑制了陰極反應(yīng)，從而使鋅鋁鎂鍍層較純鋅鍍層表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐腐蝕性能。

3 結(jié)論

（1）鋅鋁鎂鍍層主要由初生鋅相和共晶相組成，Zn-2.0%Al-1.5%Mg的共晶組織比例要明顯多于Zn-1.0%Al-1.0%Mg，即隨著Mg含量和Al含量的增加，鍍層中共晶組織的比例增加，初生鋅相的比例隨之減少。

（2）鋅鋁鎂鍍層的耐蝕性明顯比純鋅鍍層的優(yōu)異，且Zn - 2.0% Al - 1.5 % Mg鍍層的耐蝕性優(yōu)于Zn - 1.0% Al - 1.0% Mg鍍層。隨著共晶相含量的增大，MgZn2含量增加，耐蝕性提高。

（3）鋅鋁鎂腐蝕產(chǎn)物主要為 Zn5（OH）8Cl2·H2O，少量Zn5（CO3）2（OH）6和ZnO，Zn5（OH）8Cl2·H2O為不溶性的膠狀物質(zhì)，其存在隔斷了鍍層與外界的物質(zhì)傳輸，有效地抑制了陰極反應(yīng)，比純鋅鍍層表現(xiàn)出更優(yōu)異的耐腐蝕性能。