竇志剛,王 磊,趙玉凱,劉麗愉

(沈陽防銹包裝材料有限責(zé)任公司，沈陽 110033)

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熱浸鍍鋁硅合金鍍層的銹蝕過程

竇志剛,王 磊,趙玉凱,劉麗愉

(沈陽防銹包裝材料有限責(zé)任公司，沈陽 110033)

研究了熱浸鍍鋁硅合金鋼板在動態(tài)接觸濕熱試驗過程中不同階段的銹蝕行為，采用掃描電鏡(SEM)、能譜儀(EDS)分析了鋁硅合金鍍層銹蝕過程中的表面形貌、成分及組織結(jié)構(gòu)變化。結(jié)果表明：熱浸鍍鋁硅合金鍍層的銹蝕過程是一個整體有序的演變過程，鋼板銹蝕過程的表面形貌隨暴露時間增長呈坑蝕-環(huán)蝕-面蝕變化規(guī)律;暴露時間越長，銹蝕程度越強，銹蝕產(chǎn)物中的氧含量越高;熱浸鍍鋁硅合金鍍層的初始銹蝕發(fā)生在富硅相(硅含量15%以上)和晶粒間的交界處(多為富鋁相硅含量5%以下)。

掃描電鏡；能譜儀；熱浸鍍鋁硅；腐蝕

熱浸鍍鋁硅合金鍍層[1-2]是繼熱鍍鋁鋅鍍層[3-4]之后發(fā)展起來的一種高效鋼鐵防腐蝕鍍層。表面為銀白色，鍍層厚，具備優(yōu)良的耐蝕性，耐候性，耐高溫氧化性，耐滲碳性，及熱反射性和綠色環(huán)保性。因為熱浸鍍鋁硅合金鋼的基體是鋼，所以又具備鋼的機械強度。且由于熱擴散的作用，在鍍層和基體間會形成呈冶金結(jié)合的擴散過渡層，熱浸鍍鋁硅合金鋼產(chǎn)品可成型加工。

發(fā)達國家如德、美、日等國，已將熱浸鍍鋁硅合金鋼廣泛應(yīng)用于機械、輕工、交通、建筑等各個領(lǐng)域[5-6]，我國使用熱浸鍍鋁硅合金鋼行業(yè)尚處于起步階段。目前，國內(nèi)新建了多條熱浸鍍生產(chǎn)線，生產(chǎn)技術(shù)有很大提高。而熱浸鍍鋁硅合金鍍層的性能與組織結(jié)構(gòu)有密切關(guān)系[7]，因此，在微觀領(lǐng)域研究熱浸鍍鋁硅合金鍍層及銹蝕的不同階段鍍層的形貌和成分變化具有重要意義。將掃描電鏡分析技術(shù)應(yīng)用于熱浸鍍合金層的研究中[8-9]，必將有助于熱浸鍍工藝的發(fā)展。

本工作采用PhenomTMproX 飛納臺式掃描電鏡(能譜版)對熱浸鍍鋁硅合金鍍層銹蝕過程中的形貌和成分進行測試和分析，為熱浸鍍鋁硅合金鍍層的防腐蝕工藝提供試驗數(shù)據(jù)。

1　試驗

1.1試樣

試驗材料為進口熱浸鍍鋁硅合金鋼板(牌號SA1E)。

1.2試驗步驟

由于在普通環(huán)境條件中熱鍍鋁硅合金鋼板表面的銹蝕速率十分緩慢，環(huán)境因素對鋁及鋁合金短期大氣腐蝕的影響順序為[10]:SO2>HCl>海鹽粒子>最低溫度>平均濕度>濕度80%以上>濕度70%以上>水溶性降塵量>最高溫度>濕度60%以上，室外百葉箱掛片銹蝕時間為100 d以上。

采用高溫高濕環(huán)境中的加速腐蝕試驗方法(與實際銹蝕變化相同)進行試驗[11]。將金屬試片用預(yù)先裁好的防潮包裝紙包裝好,然后用尼龍絲按十字纏緊。記下金屬試片的編號,用吊鉤將金屬試片掛在濕熱試驗箱內(nèi)的旋轉(zhuǎn)架上，開動試驗設(shè)備，每隔2 h進行觀察,至試片完全銹蝕，記錄試驗結(jié)果，采用掃描電鏡、能譜儀對試驗后試片進行形貌和成分分析。

2　結(jié)果與討論

2.1熱浸鍍鋁硅合金鍍層性能分析

由圖1可見，熱浸鍍鋁硅合金鍍層的宏觀形貌呈白、灰兩種顏色。鍍層表面花紋呈片狀花紋和網(wǎng)狀花紋兩種形貌。

由圖2和表1可見，熱浸鍍鋁硅合金鋼板鍍層的顯微組織[12]主要由淺灰色的鋁-硅合金相構(gòu)成，鍍層總厚度為55 μm。能譜分析結(jié)果表明:鍍層鋁-硅合金相的原子分數(shù)為：Al 88.4%、Si 11.6%,達到工藝參數(shù)的要求。鍍層中分布有淺灰色的富硅相(a硅原子>15%)和深灰色的富鋁相(b硅原子<5%),鍍層中的鋁-硅比嚴(yán)重影響鍍層質(zhì)量[13-15]。鍍層鋁-硅相夾雜有白色結(jié)晶狀的鋁-硅-鐵合金相晶粒，鋁-硅-鐵合金相晶粒每個點的原子比例各不相同，這是由于在浸鍍過程中，鍍層中的鋁-硅與鋼基體中的鐵相互擴散的結(jié)果，它們的存在使鍍層與基體之間成為冶金結(jié)合，具有減少鍍層厚度，平坦相界面，增強結(jié)合力等優(yōu)點。

此熱浸鍍鋁硅合金鋼板鍍層致密均勻，鍍層較厚，整體性強，鍍層對鋼基體提供了較好的防護作用。

2.2熱浸鍍鋁硅合金銹蝕分析

2.2.1 銹蝕形貌

熱浸鍍鋁硅合金鍍層在動態(tài)接觸濕熱試驗中的宏觀形貌變化過程如下：經(jīng)24 h試驗,鋁硅合金鍍層顏色逐漸變深,由銀白色逐漸變?yōu)榛疑?延長試驗時間至26 h,鍍層表面出現(xiàn)深灰色點狀銹蝕產(chǎn)物;延長試驗時間至28 h,鍍層表面點銹變大成為深灰色銹斑，然后銹斑變大互相連接成片，最后鍍層表面完全由灰黑色銹斑組成，銹斑之間由網(wǎng)狀銀白色未銹蝕鋁硅鍍層隔離。經(jīng)長時間腐蝕，鍍層表面完全變?yōu)榛液谏?用手可輕易剝離表面灰黑色銹蝕產(chǎn)物，用刀刮下表面銹蝕會露出底部銀白色的新鮮鋁硅鍍層。

由圖3可見,隨著鍍層表面含氧量逐漸升高，氧化層個別位置出現(xiàn)“坑蝕”(試驗24 h)，繼而逐漸形成“環(huán)蝕”(試驗26 h)，同時向四周擴展形成“銹蝕面”(試驗28 h)。因為銹蝕產(chǎn)物體積變化較大，所以不同階段的銹蝕產(chǎn)物也同時可見于鍍層表面。如“銹蝕面”(試驗28 h)中圖片顏色越深的位置，其含氧量越高，銹蝕狀態(tài)越明顯。

2.2.2 銹蝕速率

熱浸鍍鋁硅合金鍍層在動態(tài)接觸濕熱試驗中的銹蝕過程如下：隨著鍍層含氧量的升高，鋁-鐵-硅相結(jié)晶四周的晶粒間(多為富鋁相A)和富硅相B率先發(fā)生腐蝕，銹蝕產(chǎn)物急劇增多增大并互相連接，而鋁-鐵-硅晶粒C在銹蝕過程中能夠保持不變直至被銹蝕產(chǎn)物覆蓋,見圖4。EDS結(jié)果表明，富鋁相A的成分(原子分數(shù)/%，下同)為Al 38.2,O 60.4,Si 1.4,富硅相B為Al 32.2,Si 18.9,O 49.0,鋁-鐵-硅晶粒為Al 48.0,O 43.5,Fe 2.8。富鋁相發(fā)生鋁的氧化反應(yīng)形成較厚的致密氧化膜,銹蝕速率緩慢。

鋁硅鍍層本身具有較好的耐蝕性，在大氣環(huán)境中初期很快形成一層致密的氧化膜[16]，中后期由于氧化膜覆蓋完全，將金屬與氣體介質(zhì)隔離，限制了氧化反應(yīng)的進行,腐蝕速率明顯降低。環(huán)境因素對鋁及其合金長期大氣腐蝕的影響順序為[10]:SO2>水溶性降塵量>HCl>平均濕度>濕度80%以上>最低溫度>濕度70%以上>海鹽粒子>濕度60%以上>平均溫度。濕度對鍍層腐蝕速率影響極大，在與水接觸時鍍層表面形成電解質(zhì)液膜則發(fā)生電化學(xué)腐蝕，可見腐蝕速率[18]會急劇增大，其銹蝕產(chǎn)物與電化學(xué)反應(yīng)時間有較大關(guān)系。

3　結(jié)論

1) 熱浸鍍鋁硅合金鍍層的銹蝕過程是一個整體有序的演變過程，鋼板銹蝕過程的表面形貌隨暴露時間增長呈坑蝕-環(huán)蝕-面蝕變化規(guī)律。

2) 暴露時間越長，銹蝕程度越強，銹蝕產(chǎn)物中的氧含量越高。

3) 熱浸鍍鋁硅合金鍍層的初始銹蝕發(fā)生在富硅相(硅含量15%以上)和晶粒間的交界處(多為富鋁相硅含量5%以下)。

[1]邸柏林. 論鋼鐵熱浸鍍鋁技術(shù)及其在我國的發(fā)展前景[J]. 材料保護,1992(9):21-25.[2]李磊,桑革,蔣剛. 熱浸鍍鋁的研究動態(tài)[J]. 材料導(dǎo)報,2008(4):76-78.

[3]邸柏林. 論鋼鐵的鋁鋅合金熱浸鍍層[J]. 表面技術(shù)，1994，23(1):1-5.

[4]李華飛,俞敦義,鄭家燊. 熱浸鍍鋁鋼的性能及用途[J]. 材料保護，2001(5):21-23.

[5]GUL H A，F(xiàn)AIZUL H L. The morphology of coating/substrate interface in hot-dip aluminized steelsl[J]． Mater Sci Eng，2008(472)：157-165.

[6]WANG D Q，SHI Z Y，TENG Y L． Microstrueture and oxidation of hot-dip aluminized titanium at high temperature[J]． Appl Surf Sci，2005(250)：238-249.

[7]姚壽山，李戈揚，胡文彬． 表面科學(xué)與技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版，2005.

[8]閆洪. 熱浸鍍鋁鋅合金層的掃描電鏡分析[J]. 涂裝與電鍍，2011(4)：27-28.

[9]李瑋，劉順華，顧明元. 熱浸鍍鋁鋼絲鍍層組織結(jié)構(gòu)及性能分析[J]. 腐蝕與防護，2010,31(9):527-530.

[10]鄭棄非，孫霜青，溫軍國. 鋁及鋁合金在我國的大氣腐蝕及其影響因素分析[J]. 腐蝕與防護，2009(6):359-363.

[11]QB/T 1319-2010氣相防銹紙[S].

[12]呂家舜. 連續(xù)熱浸鍍鋁硅鋼板鍍層微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 鋼鐵，2014，49(1)：74-78.

[13]CHENG Wei-jen,WANG Chaur-jeng． Micro structural evolution of intermetallic layer in hot-dipped aluminide mild steel with silicon addition[J]． Surface and Coatings Technology,2011(4)：61-70.

[14]HAN Shi-lei，LI H L，WANG S M，et al． Influence of silicon on hot-dip aluminizing process and subsequent oxidation for preparing hydrogen/tritium permeation barrier[J]． International Journal of Hydrogen Energy,2010(35)：2689-2693.

[15]金星,高立新,張大全. Al-Si合金腐蝕與防護的研究進展[J]. 全面腐蝕控制，2014(9):12-16.

[16]劉杰,劉昕,李俊,等. 硅含量對鋁硅熱浸鍍層耐高溫氧化性能的影響[J]. 腐蝕與防護，2010(9):917-921.

[17]孫秋霞. 材料腐蝕與防護[M]． 北京冶金工業(yè)出版社，2003.

Corrosion Behavior of Hot-dip Al-Si Alloy Plate

DOU Zhi-gang, WANG Lei, ZHAO Yu-kai, LIU Li-yu

(Shenyang Rustproof Packaging Material Co., Ltd., Shenyang 110033, China)

The corrosion behavior of hot-dipped Al-Si alloy plate at different stages of the dynamic damp heat test was studied. The morphology, elements and structures of the hot-dipped Al-Si alloy plate in corrosion process were analyzed by SEM and EDS. The results showed that the corrosion process of the hot-dipped Al-Si alloy plate was a whole evolution process in an orderly manner. The change rule of the surface morphology obeyed the variation of pitting corrosion-round corrosion-flake corrosion with the increase of exposure time. The longer the exposure time, the stronger the corrosion degree, and the higher the oxygen content of the corrosion products. The corrosion of the hot-dipped Al-Si alloy was initiated with rich Si point (Si>15%) and intergranular rich Al point (Si<5%).

scanning electron microscopy； energy dispersive spectrometer； hot-dip Al-Si alloy； corrosion

10.11973/fsyfh-201609017

2015-05-25

王 磊(1981-)，本科，從事冶金行業(yè)的防銹研究，13478269078，triplesand@163.com

TG174

A

1005-748X(2016)09-0764-03