Zn-Al-Mg合金的凝固组织及其耐腐蚀性能

2018-06-13 11:12:49 作者：本网整理来源：铝加工分享至：

引言

镀层技术是提高钢铁耐腐蚀性能的有效途径之一。与传统的纯Zn镀层、Galfan镀层以及Galvalume镀层相比，Zn-Al-Mg合金镀层具有更优异的切口保护性能和耐大气腐蚀性能，被广泛用于汽车、建筑、交通等领域。

从20世纪80年代开始，Zn-Al-Mg合金镀层在日本得到广泛应用，合金镀层中的Al含量范围为6%-11%（质量分数），Mg含量范围为0.5%-3.0%。

进入二十一世纪后，欧洲各钢铁企业为了满足汽车生产的需要，开发了Al含量较低的Zn-Al-Mg合金镀层钢板，Al和Mg的含量范围为1%-3%。

大量研究认为，Zn-Al-Mg合金镀层中的Mg在大气腐蚀条件下会阻碍多孔碳酸锌和氧化锌的形成，并且在阳极形成镁的碱式碳酸盐和碱式氯化物，具有更低的离子迁移率，因此具有更加优异的耐腐蚀性能。

本研究选择较低铝含量的Zn-Al-Mg合金为研究对象，分别采用炉冷、空冷和水冷的凝固方式获得铸造样品，观察了不同凝固方式下的合金显微组织，并采用电化学实验对其耐蚀性进行评价。

1.试验方法

1.1合金的制备

采用电阻炉熔炼Zn-Al-Mg合金。合金原料采用纯Zn锭（99.995%Zn，质量分数）、纯Al锭（99.6%Al，质量分数）和Zn-Mg中间合金（Zn-11%Mg，质量分数），目标成分为Zn-1%Al-1%Mg（质量分数）。使用电子天平称量母合金质量，精确到0.01g。合金的熔炼步骤如下：

1将烘干的纯Zn和纯Al原料放入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚放在电阻炉中升温至500℃，升温速率为10℃/min，保温2h；

2待坩埚中的合金全部熔化后，将烘干的Zn-Mg中间合金加入石墨坩埚中，并用石墨罩将Zn-Mg中间合金压到熔体液面以下，促使中间合金熔化，并且避免镁在空气中氧化损失；

3将炉温升高到550℃，保温至合金全部熔化；

4用石墨棒缓慢搅拌坩埚中熔化的合金，促使合金成分均匀；

5将电阻炉温度降低到420℃，降温速率为10℃/min，然后保温2h，使石墨坩埚中的合金温度及成分均匀。将均匀化的合金熔体分批倒入干燥的石墨铸型中，石墨铸型内腔尺寸为Φ30mm×5mm，壁厚为3mm。为实现炉冷、空冷和水冷的凝固方式，将石墨铸型分别放置在加热炉中、空气中以及20℃的水浴中。

待石墨铸型冷却到室温，从石墨铸型中取出样品，将样品表层1mm厚的氧化层除去，然后切割成分析样品。其中，用于扫描电镜（SEM）观察的样品为Φ10mm×1mm的圆片，用于电化学分析的样品为Φ20mm×1mm的圆片。用电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）方法分析合金样品的成分，取样位置为样品中心。Zn-Al-Mg合金的实际成分为Zn-1.32%Al-1.10%Mg（质量分数）。

1.2分析方法

采用S-3400N型SEM观察Zn-Al-Mg合金的微观组织，加速电压为15kV，并采用SEM附带的能谱仪（EDS）测定微观组织的化学成分。

采用PARSTAT 2273电化学工作站进行电化学实验，实验介质为含有3.5%（质量分数）NaCl的去离子水溶液，电解质温度为（30±2）℃。

实验采用三电极系统，辅助电极为铂电极网，尺寸为10mm×10 mm；参比电极为饱和甘汞电极（SCE）；工作电极为合金样品，尺寸为10mm×10mm。测量极化曲线时的电位扫描速率为1mV/s，扫描范围为-1.25—0.75V（vs SCE）。电化学阻抗（EIS）测量时交流信号的幅值为10mV，测量频率范围为105-10-2Hz。

实验前将合金样品表面用砂纸打磨并抛光，然后在无水乙醇中进行超声波清洗，除去表面的灰尘、油污等。

2.实验结果

2.1凝固方式对Zn-Al-Mg合金组织的影响

图1 以不同冷却方式得到的Zn-Al-Mg合金的微观组织及共晶组织放大图

图1为Zn-Al-Mg合金以不同凝固方式冷却到室温的微观组织。3种凝固方式得到的Zn-Al-Mg合金的微观组织均由大块的初始凝固（简称初晶）组织以及共晶组织构成，共晶组织分布在初晶组织之间。在炉冷凝固条件下，大块初晶组织中有少量析出物。在水冷、空冷和炉冷条件下，共晶组织的形貌分别为层片状、层片+颗粒状和颗粒状。

采用图像分析的方法测量了不同凝固条件下初晶晶粒所占的比例，同时采用划线法测量了初晶组织的尺寸，图像分析采用Image J软件，结果如图2所示。