硅反应性及合金元素对热浸镀锌影响的研究

论文摘要

热浸镀锌是一种用以保护钢件免受腐蚀的、在工业上广泛应用的技术。但是,含硅量高于0.07 wt%的钢在一般镀锌时,会出现镀层外观质量差、厚度较大、易于从基体上剥落等镀锌工业中所指的硅反应性现象。含磷的钢热浸镀锌时也会出现与含硅钢相似的现象。到目前为止,关于硅反应性的形成机理,还存在着很大的争议;在控制硅反应性方面,也没有一种完全有效的办法。因此,对于含硅（或磷）钢的热浸镀锌,还有许多基础工作要做。本研究就是围绕热浸镀锌的这些基础问题而开展的。在本研究工作中,进行了固态Zn/Fe、Zn/Fe-Si扩散偶实验,分析了硅对锌-铁金属间化合物形成的影响及其生长动力学规律。在Zn/Fe、Zn/Fe-Si扩散偶中,总扩散层的生长均为抛物线形式,但是,硅的加入使得Zn/Fe-Si扩散层组织中δ相的生长受到严重抑制,并且,δ层与ζ层间的界面变得极不规则,δ相呈不连续小岛状突起伸入到ζ中。硅的加入量对扩散层组织及合金层总厚度影响不大。测试了与硅反应性相关的Zn-Fe-P和Zn-Al-P两个三元系的450℃等温截面的富锌部分,得到了这两个体系在热浸镀锌温度下的相平衡关系。在Zn-Fe-P三元系450℃等温截面的富锌-铁部分,存在8个三相平衡;在Zn-Al-P三元系450℃等温截面的富锌部分,存在3个三相平衡;磷在液锌、α-Fe以及4个Zn-Fe化合物中的溶解度都非常低。根据所得到的相图,分析了磷对热浸镀锌组织的影响。含磷钢基体热浸镀锌时,镀层将出现硅反应性的现象。为了解锌池中铋对锌铁反应的作用,实验测试了Zn-Fe-Bi三元系的450℃等温截面。该截面中存在5个三相平衡和6个两相平衡,没有发现三元新相形成。铋在四种Zn-Fe化合物和α-Fe中溶解度极低,而铁在富锌相中也几乎不溶。根据热浸镀锌温度下该体系的相平衡信息,分析了锌池中的铋对热浸镀锌组织的影响。铋对控制硅反应性没有作用。用工业纯铁和含硅钢进行热浸镀锌,系统地研究了浸镀温度、钢基中硅含量以及硅磷协同作用对热浸镀锌镀层组织的影响,分析了工业纯铁和含硅钢镀层生长动力学规律。工业纯铁和含硅钢随温度升高,镀层厚度的变化规律相似,但是其镀层生长动力学不同。在450℃的锌池中进行热浸镀锌时,工业纯铁镀层总厚度呈抛物线增加,镀层生长由扩散控制,含硅钢镀层总厚度呈线性增加,其生长由界面反应控制。硅促进了ζ相的生长而阻碍δ相的生长,与固态扩散偶中硅对ζ相和δ相的作用一致。在同时含硅和磷的钢基体中,当有效硅含量达到0.07 wt%时,镀层组织呈现出硅反应性组织的特征,镀层较厚。基于对Zn-Fe-Si三元系450℃等温截面扩散通道的分析,提出了热浸镀锌中硅反应性的模型。当硅浓度较低的钢镀锌时,开始生成正常层状组织。由于硅在晶界和相界富集,导致扩散通道超越ζ相,并切割ζ相和液相的共轭线,这时液相出现在ζ相晶界形成液体通道,液锌可以通过δ相侵蚀基体,整个镀层生长由液相与δ相反应速度决定,生长速度保持不变,即镀层生长为线性规律,反应性组织的形成存在孕育期。当钢中硅浓度较高时,扩散通道开始就超越ζ相,并切割ζ相和液相的共轭线,反应性组织的形成不需要孕育期。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 钢的热浸镀锌
• 1.1.1 热浸镀锌的作用及发展简介
• 1.1.2 热浸镀锌过程中锌-铁之间的反应及镀层组织
• 1.1.3 热浸镀锌工艺
• 1.1.4 热浸镀锌的温度和时间
• 1.1.5 热浸镀锌过程中Sandelin效应的问题
• 1.1.6 钢基体成分对热浸镀锌的影响
• 1.1.7 锌池中合金元素对热浸镀锌的影响
• 1.2 扩散偶技术
• 1.2.1 扩散偶技术的发展与应用
• 1.2.2 扩散偶的制作方法
• 1.2.3 扩散偶方法相形成的特点
• 1.2.4 扩散偶方法研究锌-铁反应的现状
• 1.3 相图测试技术
• 1.3.1 相图在材料科学中的应用及其发展状况
• 1.3.2 相图的主要测试方法
• 1.3.3 热浸镀锌领域的相图研究状况
• 1.4 本课题的研究目的、意义及研究内容
• 1.4.1 本课题的研究目的与意义
• 1.4.2 本课题的研究内容
• 第二章 实验方法
• 2.1 实验流程
• 2.2 扩散偶实验
• 2.2.1 样品的制备
• 2.2.2 扩散偶的制备
• 2.3 相图测定
• 2.3.1 测定Zn-Fe-P和Zn-Al-P三元系450℃等温截面相关系的方法
• 2.3.2 Zn-Fe-Bi三元系450℃等温截面的测定方法
• 2.4 热浸镀锌实验
• 2.4.1 实验用原材料
• 2.4.2 锌浴配制
• 2.4.3 热浸镀锌实验工艺流程
• 2.5 金相试样的制备、组织观察及成分分析
• 第三章 硅对锌-铁金属间化合物生长的影响研究
• 3.1 前言
• 3.2 扩散区的显微组织
• 3.3 锌-铁金属间化合物的生长动力学
• 3.4 本章小结
• 第四章 磷对热浸镀锌影响的研究
• 4.1 前言
• 4.1.1 Zn-P和Fe-P二元系
• 4.1.2 Zn-Al和Al-P二元系
• 4.2 Zn-Fe-P三元系450℃等温截面中相关系的确定
• 4.3 钢基体中磷对热浸镀锌镀层组织的影响
• 4.4 Zn-Al-P三元系450℃等温截面中相关系的确定
• 4.5 本章小结
• 第五章 硅对热浸镀锌的影响及硅磷协同作用的研究
• 5.1 前言
• 5.2 浸镀温度对镀层的影响
• 5.2.1 浸镀温度对工业纯铁镀层的影响
• 5.2.2 浸镀温度对2#试样镀层的影响
• 5.3 工业纯铁及含硅钢镀层生长动力学
• 5.3.1 工业纯铁镀层生长动力学
• 5.3.2 含硅钢镀层生长动力学
• 5.4 钢基体中硅对热浸镀锌组织的影响及硅磷的协同作用
• 5.4.1 钢基体中硅对热浸镀锌组织的影响
• 5.4.2 钢基体中硅和磷共同存在时对热浸镀锌组织的影响
• 5.5 锌池中添加硅对镀层组织的影响
• 5.6 本章小结
• 第六章 锌池中的铋对热浸镀锌作用的基础研究
• 6.1 前言
• 6.2 Zn-Fe-Bi三元系450℃等温截面的实验测定
• 6.3 锌池中加铋对含硅钢热浸镀锌镀层组织的影响
• 6.4 本章小结
• 第七章 全文结论
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间主要的研究成果