高强钢热浸镀锌界面反应的研究

论文摘要

热浸镀锌并经过合金化处理的高强度钢板,由于有优异的抗腐蚀性能,且成本较低,是汽车外板的首选材料。目前国内只有少数企业能生产此类钢板,也经常出现质量问题。为了改善镀层表面质量,锌池中常添加一定量的Al;同时从钢板或镀锌硬件中析出的合金元素,如Cr、Mn等,会跟熔融的Zn-Al合金发生相互作用,影响Zn-Fe反应,从而影响镀锌过程和镀层质量。因此,本工作中围绕Zn、Fe、Al、Cr四种组元的相互作用,测试了相关相图、研究了合金元素对镀层组织的影响并对界面反应过程进行模拟,为控制镀层组织、提高汽车外板的表面质量建立理论基础。本工作中,结合扩散偶法与平衡合金法,利用扫描电镜与能谱仪（SEM-EDS）、以及X射线衍射仪（XRD）等手段测定了Zn-Cr二元系、Zn-Fe-Cr三元系450℃和600℃等温截面,为Zn-Fe-Cr体系的热力学计算和建立高元体系的相图提供了可靠的数据。以基于陈氏晶格反演获得的原子间相互作用势为基础,模拟了合金元素对FeZn13镀层组织的影响。首先利用X射线衍射仪法准确测试FeZn13的晶体结构,并在Fullprof软件中利用Rietveld方法精修晶体结构,之后对FeZn13的晶体结构以及合金元素在FeZn13中的原子占位和溶解度进行了原子级模拟,为系统研究合金元素对镀层组织的影响积累了基础的数据。计算值与实验值基本吻合。利用SEM和EDS研究了纯铁在含Al和Cr的几种锌池中获得的镀层组织。在锌池中加入一定量的Cr以后,镀层的表面生成新相τ1;含Cr锌池中加入0.1 wt%Al时,镀层组织由δ、ζ、η以及τ1组成;含Cr锌池中Al含量为0.2 wt%时,镀层中的δ层变薄,ζ层由整齐的带状变为疏松的块状,在ζ相之间有diffuse-Δ出现;在480℃浸镀时,镀层中没有ζ层。根据扩散通道理论探讨了加Al和Cr导致镀层组织变化的原因,并建立了镀层形成的机理模型。本工作中以Al的扩散为动力学控制环节,分析了界面反应中化合物形核生长过程。分三阶段,即铁的快速溶解、抑制层的形核长大以及抑制层的固态扩散生长,建立了热浸镀锌界面反应的动力学模型。根据模型可以确定抑制层完整形成的时间;可以确定镀锌过程中消耗的总铁量、总铝量和抑制层的厚度与锌池中Al含量的关系。本工作对确定最优化的锌池铝含量、控制镀层组织,减少锌渣的生成有重要的理论意义,也是开发锌池管理工具的理论基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 连续镀锌界面反应概述
• 1.2.1 连续镀锌工艺
• 1.2.2 热浸镀锌组织
• 1.2.3 界面反应的基础理论
• 1.2.4 锌池中加Al对界面反应的抑制
• 1.2.5 其它合金元素对界面反应的影响
• 1.2.6 界面反应中抑制层形成的模型
• 1.3 锌基合金相图在热浸镀锌中的应用
• 1.3.1 相图的实验测定
• 1.3.2 锌基合金相图的热力学优化
• 1.3.3 高强钢热镀锌界面反应相关体系的研究现状
• 1.4 原子尺度模拟计算
• 1.4.1 原子间相互作用势理论
• 1.4.2 陈氏晶格反演定理
• 1.5 研究目的和意义
• 第2章 Zn-Cr二元系的实验测定和热力学评估
• 2.1 引言
• 2.2 实验样品制备
• 2.2.1 合金样品的制备
• 2.2.2 固体扩散偶的制备
• 2.2.3 固液扩散偶的制备
• 2.3 实验结果分析
• 2.3.1 平衡合金实验结果
• 2.3.2 固体扩散偶实验结果
• 2.3.3 固液扩散偶实验结果
• 2.3.4 Zn-Cr二元相图
• 2.4 Zn-Cr二元系热力学评估
• 2.4.1 热力学模型
• 2.4.2 实验信息
• 2.4.3 评估过程
• 2.4.4 结果与讨论
• 2.5 本章小结
• 第3章 Zn-Fe-Cr体系相关系的实验测定
• 3.1 引言
• 3.2 实验方法
• 3.2.1 固-液扩散偶的制备
• 3.2.2 合金样品的制备
• 3.2.3 样品的观察与分析
• 3.3 Zn-Fe-Cr三元系450℃相关系的实验分析
• 3.3.1 固液扩散偶样品分析
• 3.3.2 固态扩散偶样品分析
• 3.3.3 平衡合金样品分析
• 3.4 Zn-Fe-Cr三元系600℃相关系的实验研究
• 3.4.1 合金成分设计
• 3.4.2 实验结果分析与讨论
• 3.5 本章小结
• 13中间相影响的原子级模拟'>第4章 合金元素对FeZn₁₃中间相影响的原子级模拟
• 4.1 引言
• 13晶体结构的测试'>4.2 FeZn₁₃晶体结构的测试
• 4.2.1 文献信息
• 4.2.2 实验方法
• 4.2.3 实验结果及讨论
• 13晶体结构的原子级模拟'>4.3 FeZn₁₃晶体结构的原子级模拟
• 4.3.1 计算过程
• 4.3.2 结果与讨论
• 13中的择优代位及溶解度的原子级模拟'>4.4 合金元素在FeZn₁₃中的择优代位及溶解度的原子级模拟
• 4.4.1 计算过程
• 4.4.2 结果与讨论
• 4.5 本章小结
• 第5章 合金元素Al、Cr对热浸镀锌镀层组织的影响
• 5.1 引言
• 5.2 实验方法
• 5.3 实验结果
• 5.3.1 镀层组织
• 5.3.2 镀锌温度的影响
• 5.3.3 浸镀时间的影响
• 5.4 分析与讨论
• 5.4.1 镀层组织形成过程分析
• 5.4.2 用扩散通道理论对镀层形成的描述
• 5.5 本章小结
• 第6章 连续镀锌界面反应的动力学模拟
• 6.1 引言
• 6.2 界面反应的特点
• 6.3 界面反应动力学模型的建立
• 6.3.1 铁快速溶解
• 6.3.2 化合物在基体的形核长大
• 6.3.3 抑制层固态扩散生长
• 6.4 计算结果
• 6.4.1 不同铝浓度下的形核数目N
• 6.4.2 形成完整覆盖层和抑制层的形成时间
• 6.4.3 消耗的总铁量，总铝量
• 6.4.4 抑制层生长的动力学模拟
• 6.5 本章小结
• 第7章 全文总结
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的论文
• 参与的与本工作有关的课题
• 致谢