含镁Al-Zn镀层中周期层状组织的形成机理及耐蚀性研究

It was found by the applicant that the periodic lamellar structure with alternative Fe-Al intermetallic compounds and Al-Zn formed in the interface between Q235 steel and bath as a certain amount of Mg was added into the 45wt.%Al-Zn bath. To understand the formation mechanism of the structure, research will be carried firstly on the phase relationships and thermodynamic information in Fe-Al-Zn-M (M=Mg,Ce,Si) system by equilibrated alloys and thermodynamic calculations. Then through hot-dipping experiment and additional solid state diffusion couple , the effect of galvanizing parameters, the ratio of Al to Zn, the alloy element in bath and the physical state of diffusion component on the microstructure will be studied, the rule about growth dynamic of microstructure will be obtained. Thirdly, the concentration profiles of Fe and Al in bath will be measured through long capillary tube, and diffusion coefficients of Fe and Al will be calculated by molecular dynamics simulation. Finally, the effect of the periodic structure on the corrosion resistance will be studied by comparing the corrosion resistance between the periodic structure and other structure. The research has a certain theoretical significance for the development of new Al-Zn-M alloy coating.

申请者研究发现，Q235钢在添加镁的45%Al-Zn熔体中浸镀时，在铁基与铝锌熔体界面形成了铁铝化合物与铝锌交替出现的周期层状组织，且镀层耐蚀性提高。为明确周期组织的形成机理，本研究拟通过平衡合金法和热力学计算，获得Fe-Al-Zn-M(M=Mg,Ce,Si),合金体系的热力学数据及相关系, 以弄清熔体中元素M对合金相形成的影响；进而通过热浸镀实验和固态扩散偶实验，研究热浸镀工艺参数、熔体中铝锌比、合金元素M以及扩散组元的物理状态对镀层/扩散层组织的影响，并获得镀层/扩散层组织的生长动力学规律；然后采用长毛细管法实验获得熔体中铁与铝的浓度分布，采用分子动力学模拟铁与铝的扩散系数。最后，通过对周期层状组织及其它镀层组织耐蚀性能的对照分析，探索周期层状组织对耐蚀性的影响。该研究对于开发新的Al-Zn-M合金镀层具有一定的理论意义。

热浸镀铝锌是一种提高钢铁耐蚀性与高温抗氧化性能的简单易行的方法。很多研究者对不同铝含量的铝锌合金镀层的表观质量、镀层性能进行了系统研究，相继开发了如Galfan、ZAM、Dymazinc和SuperDyma，Galvalume等铝锌合金镀层。Galfan合金浸镀温度低、成本低，但耐蚀性较纯锌镀层提高不太多；而Galvalume铝锌合金镀层含铝量高，浸镀温度高，界面反应速度快，镀层厚度控制难。.本课题组在铝含量较低且添加少量镁的熔体中浸镀Q235钢时，发现镀层组织中形成了铁铝化合物与铝锌熔体交替出现的周期层状组织，且比未出现周期层状组织的其它镀层具有更高的耐蚀性。为了探明该周期组织的形成机理以及镀层对耐蚀性的影响，本项目利用实验测试和热力学计算相结合的方法，获得了与热浸镀Al/Zn相关的多元合金体系中的部分四元与三元系的相关系、溶解度信息以及相关热力学信息，如Al-Zn-Fe-M(M=Ce,Mg,Bi）以及Al-Si-Fe-M(M=Cr,Ti)，Zn-Fe-Nb， Co-Al-V、Cu-Fe-Si、Co-Cu-Zn、Al-Fe-Sn、Zn-Al-Ti等。计算了铁与铝的扩散系数，获得了第三组元M (M=Mg, Si)对铁与铝扩散的影响。采用热浸镀方法，研究了周期性镀层的生长过程、生长条件及生长规律，周期层状组织的相组成以及浸镀时间和熔池成分对周期层状组织的影响规律，明确了V和Si对周期层状组织的抑制作用。通过热浸镀实验和固态扩散偶实验，开展了钢件热浸镀工艺以及热浸镀组织与耐腐蚀性的研究，获得了镀层组织的生长动力学规律，比较了不同熔池的成分所获得的合金镀层以及周期层状组织的耐蚀性能。研究结果对开发新的Al-Zn合金镀层具有较重要的理论意义。