高强钢热浸镀锌界面反应的研究

【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FeZn_(13)镀层组织的影响。首先利用X射线衍射仪法准确测试FeZn_(13)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FeZn_(13)的晶体结构以及合金元素在FeZn_(13)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τ_1;含Cr锌池中加入0.1 wt%Al时,镀层组织由δ、ζ、η以及τ_1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。