形变含稀土低碳钢热浸镀铝的镀层组织特征www.tool-tool.com

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马焕明1，　关　蕾2，　韩铁军3

(1.秦皇岛市戴卡轮毂制造有限公司，河北秦皇岛066003；2.秦皇岛市安冶精密铸造有限公司，

河北秦皇岛066004；3.秦皇岛冶金机械有限公司，河北秦皇岛066000)

摘　要：用金相显微镜及X射线衍射仪对形变含稀土低碳钢热浸镀铝的镀层微观组织进行了分析，并探讨了其形成机制。结果表明，镀层中Fe2Al5相择优取向生长，其亚晶界呈平行条状。Al的扩散激活能为155.22kJ/mol。并初步分析了形变对热浸镀铝镀层组织的影响及添加稀土的作用。

关键词：形变低碳钢；热浸镀铝；镀层组织；稀土

热浸镀铝件具有优良的耐热、耐蚀和抗氧化等性能，因而广泛地应用在石油、化工、交通、医疗和海洋等工业设备上。目前，人们对热浸镀铝的工艺方法、性能及应用研究报道较多，而对其镀层的微观组织尚缺乏细致分析，尤其对变形件热浸镀铝的研究结果尚未见报道。因镀层的组织直接影响其使用性能，而很多镀铝件常常都是在其变形的条件下进行浸镀的。因此，本文对形变低碳钢热浸镀铝的镀层组织微观特征、各组成相分布及铝的扩展激活能进行了测试分析，并对其形成机制进行了探讨。所得结果对理解形变低碳钢热浸镀铝的镀层组织、形成机制及制定形变件的浸镀工艺有一定的理论与现实意义。

1　试验材料与方法

　　试验用基体材料为经50%冷变形的低碳钢，其化学成分(质量分数，%)为 C0.19，Mn0.41，Si0.37，S0.027，P0.019，RE0.035。试样为带孔板片，尺寸为3mm×10mm×30mm，镀液为工业高纯铝，盛镀液罐(<120mm×200mm)材料为不锈钢，加热设备为SG23210坩埚电阻炉，用XCT2101型动圈式温度仪表控温，炉温波动±5℃。

　　将盛铝罐放入电阻炉内，加热温度分别为710℃、730℃和760℃，保温时间分别为5min、7min、9min和 12min，到温悬挂入镀液中，到时取出空冷。用NEOPHT21光学显微镜观察镀层的组织特征并测量镀层层深，并计算铝的扩展激活能。然后用机械抛光方法逐渐减薄镀层厚度，用D/Max2RBX射线衍射仪确定镀层各部位的组成相。

2　试验结果与分析

2.1　铝的扩展激活能

　　图1为镀层层深与时间、温度关系曲线，由其试验数据作L22t关系(图2)，层深L2与保温时间t呈直线关系，符合阿累乌斯经验公式：L2=kte-Q/RT，

式中：L———层深；k———常数；Q———扩展激活能；T———温度，R———气体常数。

　　由公式可得LnL2=-Q/RT+Ln(kt)，作LnL221/T关系曲线，由斜率-Q/R可得其铝的扩展激活能为Q=155.22kJ/mol。

图1　浸镀温度与时间对镀层深度的影响 图2　不同温度下镀层深度平方与时间的关系

2.2　镀层微观组织特征

　　由金相组织图3可见，镀层中的铁铝化合物呈锯齿状垂直工件表面并楔入基体，经X射线衍射结果表明：镀层的外层(0～20μm)范围内，主要相为Al，Al2O3，FeAl3和少量FeAl、Fe3Al、Fe2Al5、FeAl2O4(FeO·Al2O3)，其厚度约占总镀层厚的5%～10%。镀层中层主要相为Al、Fe2Al5和少量FeAl、FeAl3，其厚度约占总镀层厚的80%～90%。

镀层内层主要相为Fe2Al5，其厚度约占总镀层的5%～10%。可见，镀层中的铁铝化合物主要以Fe2Al5的形式存在，其主要分布在镀层的中部以内，而其他铁铝化合物FeAl、Fe3Al、FeAl3则主要分布在镀层的外层。其X射线衍射结果见图4。

图3　镀层的金相显微组织

图4　不同部位的X射线衍射图谱

2.3　镀层组织的形成机制

　　当低碳钢与液态铝接触时，由于铁和铝的相界面反应，在Fe2Al分界面上首先形成FeAl3和少量FeAl、Fe3Al铁铝化合物，随着铁、铝原子互扩散的进行，FeAl3相厚度不断加厚，同时在FeAl3相前界面上易出现与Fe2Al5化合物成分相近的微小区域，当微小区域范围满足一定的形核条件，即形成Fe2Al5(a)距表面10μm；(b)距表面120μm；(c)距表面150μm相。因Fe2Al5相是斜方晶格，该相的原子饱和浓度仅为70%[6]，所以，铝原子很容易通过它扩散到铁的边界形成Fe2Al5相，使Fe2Al5相迅速长大。另一方面，基体中的铁原子可以通过Fe2Al5相扩散到

FeAl3相中，并使FeAl3转变为Fe2Al5(Fe+FeAl3→Fe2Al5)。又因铁原子Fe2Al5中的扩散系数是在FeAl3相中扩散系数的10倍以上，使铁原子通过FeAl3进入液态铝中的量大大减少，与铝原子形成FeAl3量相对也就减少。因此，镀层中的铁铝化合物主要以Fe2Al5形式存在。FeAl3主要分布在最外层，与实验结果相吻合。

　　文献介绍：Fe2Al5相C轴方向空位密度较高，铝原子易沿C轴方向扩散，再者，基体材料为冷轧材，对浸镀过程中Fe2Al5相的生成与长大有一定的影响，因为变形使晶粒有一定的方向性，晶界缺陷(空位、位错等)增多，而铝原子易在缺陷处渗入，使Fe2Al5相形成了择优取向，即沿某方向的生长速度加快，导致Fe2Al5相的生长有一定的方向性，表现在Fe2Al5相的形状呈锯齿状，其亚晶呈条状。此外，稀土原子半径大于铁原子半径，因此，稀土元素的加入将引起其周围铁原子的晶格畸变，使空位缺陷增多，降低了铝原子的扩散激活能，有利于铁、铝原子的扩散，从而加速了镀层的形成。镀层中Al2O3、FeAl2O4(FeO·Al2O3)氧化物是由于镀件从铝液中取出，未及时采取保护措施，使铝、铁原子与空气中的氧发生氧化反应所致。

3　结　论

(1)形变含稀土低碳钢在730℃，保温12min条件下镀铝，其镀层中铁铝化合物主要相为Fe2Al5和少量的FeAl、Fe3Al、FeAl3，其分布为最外层(0～20μm)主要相为Al、Al2O3，FeAl3和少量FeAl、Fe3Al、Fe2Al5、FeAl2O4(FeO·Al2O3)其厚度约占总镀层厚的5%～10%；中层主要相为Al、Fe2Al5，约占总镀层厚的80%～90%；内层主要相为Fe2Al5，约占总镀层的5%～10%。

(2)Fe2Al5相以择优取向生长，其亚晶主要呈平行条状，纯铝以7～30nm的小球状分布在Fe2Al5相的亚晶上。铝的扩散激活能为155.22kJ/mol。

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