碳钢热浸镀铝镀层的组织与性能及稀土改性研究

论文摘要

碳钢具有良好的力学性能和成形性能,在石油化工、冶金、机械、建筑和交通工程等方面应用广泛。然而,碳钢的耐高温氧化和耐腐蚀能力较差,严重阻碍了其进一步的应用。热浸镀铝作为一种简单高效的表面处理技术,既可有效提高碳钢的耐腐蚀及抗高温氧化能力,同时又能保证碳钢的力学性能,因此一直受到国内外的广泛关注。目前,国内外对热浸镀铝工艺进行了较多的研究,并将该工艺应用于工业生产。但对镀层组织形成机理、RE改性及扩散处理对镀层组织和性能影响的研究鲜见报道。因此,研究镀层形成机理、RE对镀层的改性作用及扩散处理对镀层组织结构和性能的影响,对钢铁热浸镀铝工艺开发和应用具有重要的理论意义和实用价值。本文在分析热浸镀铝镀层组成及结构的基础上,研究了工艺参数对镀层结构影响,以及扩散退火对镀层组织及耐蚀性和抗高温氧化性能的影响。并采用电化学测试和全浸泡腐蚀试验来评估镀层的耐蚀性,研究了RE元素对镀层组织及性能的影响,取得了如下实验结果。45钢热浸铝镀层由外部的富铝层和内部的合金层组成,外层富铝层由Al和白色针状FeAl3组成,内层合金层中的铁铝化合物为Fe2Al5和FeAl3,镀层与基底间为冶金结合。热浸镀铝镀层外层主要受浸镀温度和提拉速率影响,内层则主要受浸镀温度和浸镀时间影响。热浸镀铝经850℃×5 h扩散退火处理后,镀层由渗铝合金层内外两层成,外层由Fe2Al5组成,伴有少量的Al2O3;内层则由FeAl组成。扩散退火处理后经800℃×100 h高温氧化试验,镀层的抗高温氧化性较45钢基体显著提高,并优于未经扩散处理的热浸铝试样。扩散退火后试样OCP曲线比未经扩散处理试样正移了近340mV。动电位极化曲线测试及全浸泡实验均表明,经扩散处理后的热浸镀试样耐蚀性要优于未经扩散处理的试样。随着RE加入量的增加,合金层由原来的不连续细长锯齿峰状结构逐渐发展成连续带状。而不同加入量RE混合稀土均能够细化热浸镀纯铝中FeAl3相。RE加入量在0.0%-0.5%范围内,镀层富Al层厚度逐渐减小;当RE加入量超过0.5%时,随RE量的增加富Al层厚度增加。RE加入量超过0.1%后,合金层厚度逐渐降低,但添加RE试样合金层厚度均大于未添加RE试样。RE元素在镀层中沿基底方向缓慢增加且渗入基底材料中,但热浸镀铝镀层物相组成与未加RE的试样相同,无明显变化。扩散处理之前,RE元素在镀层表面均匀分布,扩散处理之后,RE聚集在晶界、亚晶界等缺陷处。抗高温氧化和耐腐蚀性能的实验结果表明,除RE加入量0.1%和1.0%的试样试样抗高温氧化能力略优于热浸镀纯铝试样外,其余试样抗高温氧化能力均不及热浸镀纯铝试样。扩散处理也不能改善含RE元素热浸镀试样的抗高温氧化能力。未扩散处理试样,当RE加入量为0.3%时OCP值比热浸镀纯铝试样的OCP值正移了近600 mV。动电位极化曲线测试及耐蚀性实验均表明,含0.5%RE的热浸镀试样耐盐水腐蚀能力为热浸镀纯铝的2倍。扩散退火处理能提高热浸镀纯铝试样的耐蚀能力,但降低含RE试样的耐腐蚀能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 热浸镀技术研究概况
• 1.3 稀土在热浸镀铝中的应用
• 1.4 目前碳钢热浸镀铝技术研究中存在的问题
• 1.5 本文研究目的及研究内容
• 2 试验材料及研究方法
• 2.1 试验材料
• 2.2 热浸镀试验装置
• 2.3 热浸镀镀层组织、结构及成分分析
• 2.4 热浸镀试样的性能测试
• 3 热浸镀工艺和扩散处理对镀层结构和性能的影响
• 3.1 热浸镀铝镀层结构及组成分析
• 3.2 工艺参数对热浸镀铝镀层厚度的影响
• 3.3 扩散退火处理对镀层结构及组成的影响
• 3.4 扩散退火处理对镀层性能的影响
• 3.5 本章小结
• 4 RE 对热浸镀铝镀层结构组成及性能的影响
• 4.1 RE 对热浸镀铝镀层结构及组成的影响
• 4.2 添加RE 热浸镀铝试样扩散退火后镀层结构及组成
• 4.3 添加 RE 后镀层性能研究
• 4.4 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 攻读硕士学位期间发表的论文