锌锅板XG08与316L不锈钢在锌铝液中长期浸泡下金属间化合物的研究

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热浸镀锌是工业中最常见的一种钢铁防止大气腐蚀方法,其生产流程是将前处理好的钢铁工件浸入到一定温度下的熔融锌液中从而使钢铁表面生成均匀的锌层。锌液的工作温度高,腐蚀性强,对盛装锌液的锌锅性能要求也较高。工业生产中通常所用的锌锅材料是08F、05F低碳钢或者是特制的锌锅专用钢板,但此类锌锅由于高温时腐蚀过快、热浸镀锌铝合金时耐蚀性不佳等原因不适用于较高温度(>460℃)和较高铝含量(0.01wt%)的热浸镀生产。除低碳钢外,陶瓷材料也常用于热浸镀锌锅的生产,但同样也面临着导热性不佳及防撞性差等缺点。因此,选取一种综合性能优良的锌锅材料是一个具有实用意义的课题。316L不锈钢已成功应用于连续热浸镀锌各部件的生产中,但在批量热镀锌尤其是热浸渡高铝时的应用极少。本文结合前面学者的一些研究内容,选用316L不锈钢作为研究对象,并以XG08型锌锅板作为实验参照,采用扫描电镜、能谱仪、电化学工作站和X射线衍射仪等分析测试方法系统研究了450℃时这两种材料在含铝量为0.2wt%和5wt%的锌液中长时间浸泡生成的金属间化合物层,得出了如下主要结论:XG08型锌锅板在450℃时的Zn-0.2wt%Al合金液中浸镀极短时间(3s)后,生成由Fe2Al5和FeZn7(相)组成的金属间化合物层,其中Fe2Al5在铁基体上呈针片状生长,而FeZn7微观形貌为典型的大颗粒晶体结构,且FeZn7(相)是在Fe2Al5相上形核并生长的。XG08型锌锅板在450℃时的Zn-5wt%Al合金液中长时间浸泡形成成分均一的金属间化合物层,其物相组成为FeAl3(Fe4Al13)。在较短时间里(<30min)该层能保持均一致密性,起到阻碍基体与锌铝液的相互扩散作用。随着浸泡时间的增加,该金属间化合物层变得疏松不致密且发生大面积脱落,形成许多扩散通道,此时阻挡作用几近消失,腐蚀速率加大。316L不锈钢在450℃时的Zn-0.2wt%Al合金液中长时间浸泡形成两层成分均一的金属间化合物层,分别为与液相接触的外层FeZn7层和与基体接触的Fe2Al5层,Fe2Al5先于FeZn7生成。由于不锈钢中大量的合金元素,如Cr、Ni等填充了Fe2Al5的空位,阻碍了反应物Fe、Al、Zn之间的扩散,故在长时间浸泡的情况下Fe2Al5层都能稳定存在。FeZn7虽然靠近液相外侧有脱落现象,但还能稳定保持一定厚度。稳定存在的Fe2Al5和FeZn7阻挡层,起到了阻挡反应物之间的相互扩散,使得316L不锈钢在Zn-0.2wt%Al中的腐蚀速率极小。316L不锈钢在Zn-5wt%Al合金液中长期浸泡过程中仅生成一层致密的金属间化合物层,且达到一定浸泡时间后(>240h)厚度保持不变。该金属间化合物层组成相为FeAl3(Fe4Al13)相。产生致密且稳定的FeAl3(Fe4Al13)层是由于316L不锈钢基体的合金元素Cr和Ni对其起到了稳定作用。稳定存在且致密的FeAl3相层阻挡了Fe、Al、Zn反应物之间的扩散,使得316L不锈钢在450℃时的Zn-5wt%Al合金液中腐蚀速率极低。
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