铝铸铁抗锌液腐蚀机制研究.doc

Al铸铁抗锌液腐蚀机制研究
材料工程
铸铁镀锌锅因成本低、易于操作而被广为使用。但目前国内使用的铸铁镀锌锅由于受锌液的严重腐蚀而其实际使用寿命很短，不但造成镀锌锅消耗较大，而且损失大量的锌。因此，提高铸铁抗锌液腐蚀能力是一个急需研究的问题。国内外一些学者在研究锌铝合金镀过程中发现，当铝和锌同时存在时铁优先与铝反应形成铁铝化合物，也就是说铁铝化合物的稳定性高于铁锌化合物［1］。Jodan等人［2］认为在热镀Zn液中加入Al可以减缓Zn-Fe反应。Short和Mackowiak［3］认为在合金化的过程中最初形成FeAl3，Fe2Al5和Fe-Al-Zn三元合金或它们的混合物，因为Fe-Al相在热力学上比Fe-Zn相稳定，但由于Al含量较少，聚集起来比较困难，所以Fe-Al相沉积长大较慢。当Fe-Al相中一些Al原子被Zn原子取代之后，Fe-Al相仍可保持抗Zn液腐蚀的特性，取代较多时将失去稳定性，形成Fe-Zn相。Mskimattila和Rissolaien［4］研究了Zn-5%Al热浸时的组织结构，他们认为当含Al0.1wt％～0.5wt%时，Fe-Zn相的形成就会被Fe-Al相所抑制，部分Fe-Zn相被Al-Fe所取代，形成Fe3Al或Fe2Al5。鉴于上述Al在Fe与Zn反应过程中的作用，本工作研究含Al铸铁与锌液反应的速度及Al在反应过程中的作用。1实验方法实验选用普通灰铸铁和三种不同Al含量的铸铁作为研究材料，试样代号及其平均化学成分如表1所示。G代表普通灰铸铁，A1，A2和A3代表含Al铸铁。
表1几种铸铁试样的化学成分(wt%)Table1Thecompositionofthesamples
代号CAlSiCrMnSFeG3.211.8070.3170.009余量A13.052.354.120.99余量A23.073.474.681.2余量A32.958.142.060.17余量
测试铸铁与锌液反应特性的试样尺寸为28mm×10mm的半圆柱，以半圆的底面为基准面，测量侧面腐蚀层深度，用单位时间腐蚀层深度来表征铸铁受锌液的腐蚀速率。用JCXA-733型电子探针（EMPA）测试腐蚀样品横截面的成分分布。以腐蚀层与铸铁基体界面为中心分别向两侧每隔20μm测一次，每次测三点取平均值。用D/max-IIIA型X射线衍射仪（XRD）测量腐蚀化合物层的相结构。该样品是切去腐蚀样品的挂锌层后，机械磨光表面而制得。用H-800型透射电镜（TEM）分析铸铁基体与化合物层界面附近的显微组织。TEM样品采用电火花线切割机、电解双喷仪及离子减薄器制备。2实验结果及讨论2.1Al铸铁在锌液中的腐蚀速率各种铸铁在500℃和600℃时与锌液反应的腐蚀速率随Al含量的变化关系曲线如图1所示。可以看出腐蚀速率随温度的升高而增加。两种温度下普通灰铸铁的耐蚀性能均最差，而且铸铁的抗锌液腐蚀性能随Al含量的增加而提高。当Al量增加到8.1%时其抗锌液腐蚀性能比普通灰铸铁提高10倍。

图1腐蚀速率与Al含量的关系Fig.1VarianceofcorrosionratewithAlcontent
2.2腐蚀界面形貌及化合物500℃腐蚀样品横截面的形貌如图2所示。

图2G和A2样品在500℃与锌液反应10h后的横截面形貌a—G;b—A2Fig.2Cross-sectionmicrostructuresofsamplesdippedinZnbathfor10hat500℃a—G；b—A2
由图2可以看出，腐蚀样品的横截面由表面层、化合物层和基体三部分组成。表面层主要由锌组成，它是在样品取出时涂挂的锌液随后冷却凝固形成的。化合物层是基体与锌液在反应过程中形成的。普通灰铸铁（见图2a）的化合物层较薄，而且与基体有明显的较光滑的界面，化合物层由致密的柱状晶和柱状晶与基体之间极薄的组织组成。XRD及EMPA分析表明，柱状晶组织为δ-FeZn7，极薄层组织为Γ-Fe3Zn10。三种含Al铸铁的横截面形貌比较相似如图2b所示，其化合物层较宽，它主要由白色的块状物和块状物之间的黑色组织组成。EMPA分析表明，白色的块状物为δ-FeZn7，黑色组织富有Al。为了研究化合物层的组织结构，对A3腐蚀界面处的薄膜进行了TEM分析，结果如图3。样品中发现了FeAl和Fe3Al金属间化合物相，从图3c可看出FeAl相中存在反相畴，这是FeAl有序相的形成特征。因此，Al铸铁的化合物层由白色的块状物δ-FeZn7和块状物之间的黑色组织FeAl及Fe3Al金属间化合物组成。

图3A3样品化合物层Fe-Al化合物的形貌及电子衍射谱Fig.3TheTEMimagesandSADpatternsofFe-Alinterrmetallicphases：a—TEMimageofFe3Al