热浸镀Zn-Al-Mg合金过渡层组织的研究

霍镜亮，武建军，马瑞娜，曹晓明，谢依烨

（河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300130）

热浸镀Zn-Al-Mg合金过渡层组织的研究

霍镜亮，武建军，马瑞娜，曹晓明，谢依烨

（河北工业大学 材料科学与工程学院，天津 300130）

为了获取性能更佳的界面组织，探究了Mg元素对热浸镀Zn-Al合金界面组织的影响.以热浸镀广泛应用的Galfan合金为基础，在其中加入不同含量的Mg元素，将其作为镀液进行热浸镀实验，对浸镀后样品的截面与腐蚀后表面进行观察与分析.阐述了热浸镀Zn-Al-Mg合金过渡层组织及性能特点.实验表明，热浸镀Zn-Al-Mg合金过渡层厚度随温度升高而增大，当温度达到540℃时，过渡层厚度达到最大值.Mg元素可以细化晶粒，提高Mg含量可使过渡层与基体界面趋于平直，使过渡层变薄.Mg原子在反应过程中渗入Fe-Al化合物中，改变了其晶体结构，使组织更加致密并提高了过渡层的显微硬度.

热浸镀；Zn-Al-Mg合金；过渡层；Fe-Al反应；细化晶粒

热浸镀Zn-Al-Mg合金具有耐腐蚀性优异、能源资源节约等特点，是防护钢铁腐蚀理想的涂层材料[1-3].但是，由于高Al、Mg元素的加入容易造成施镀困难、漏镀、镀层表面质量差的问题，大大影响其应用和推广.热浸镀后，合金镀层由2部分组成：靠近钢基体的过渡层和外部的自由凝固层.过渡层一般是由金属间化合物组成，自由凝固层则是由镀液凝固而成.合金元素的添加往往会在钢与锌液之间形成界面层，或者改变界面层各相的形成顺序从而改变Fe-Zn之间的反应[4-5].通过控制界面反应可以获得致密且性能稳定、厚度适宜、与镀层连接性能良好的过渡层，适当的过渡层是保证镀层质量与耐腐蚀性能的关键因素[6-8]. Zhao Manxiu等研究表明[9]，在锌铝镀液中加入合金元素钒可以使过渡层变薄，其原因是钒原子渗入到过渡层的铁铝化合物中，抑制了Fe-Al相的生长.李凯良等人认为，Mg含量的增加使Fe-Al合金层生长速率指数降低，使合金层更加稳定致密[10].

本文对不同Mg含量的Zn-Al合金在不同浸镀温度工艺条件下的浸镀样品过渡层的组织与性能进行了研究，给出了其变化规律并总结原因.

1 实验材料及方法

实验所用合金镀液由Galfan合金和工业纯Mg（99.99%）按不同的比例配制而成，其化学成分组成如表1所示.基体材料Q235钢经线切割设备加工成尺寸为100 mm×30 mm×1.5 mm的薄片，经打磨处理后采用溶剂法进行热浸镀.具体工艺流程为前处理（碱洗，水洗，酸洗，水洗）→助镀处理→烘干→热浸镀→冷却→成品.借助S-4800扫描电镜观察过渡层组织.将自由凝固层腐蚀掉露出过渡层后，用GENESIS XM能谱仪、D/Max 2500PC型X射线衍射仪与HMV-2T显微硬度仪分析组织及性能.

表1Zn-Al-Mg合金成分%Tab.1 Composition of Zn-Al-Mg

2 实验结果分析

2.1 热镀温度对过渡层组织的影响

图1为热镀合金液分别为Galfan合金，Mg含量依次为1%，3%，5%的Galfan合金在热浸镀时间为40 s时，过渡层厚度随温度变化关系.可见，温度对过渡层厚度影响极大.低温阶段（＜480℃），过渡层厚度很薄，几乎很难观察到.当温度达到480℃时，过渡层开始形成，此后随着温度的升高，过渡层厚度迅速增大.当温度为540℃时，过渡层厚度达到最大值.过渡层厚度由反应扩散和过渡层溶解控制，铁铝反应扩散随着温度提高而加速，过渡层厚度随之增加；当达到540℃时，过渡层溶解的速率与生成速率趋于平衡.

图1 不同Mg含量过渡层厚度随温度变化关系图Fig.1 The relationship of interface layer thickness with temperature change and different Mg content

图2 不同Mg含量合金横截面镀层微观组织图（540℃，40 s）Fig.2 Microstructure of cross section with different Mg content（540℃，40 s）

2.2 Mg含量对过渡层组织的影响

图2显示了热镀温度在540℃，热浸镀时间40 s条件下，不同Mg含量合金镀层横截面微观形貌.从图中可以看出，热浸镀 Zn-Al-Mg合金镀层由过渡层和自由凝固层2部分组成，过渡层中有缝隙与沟壑状组织.Galfan合金的过渡层与基体界面处呈锯齿状，随着Mg含量的增大，组织变得均匀，界面处趋于平直.Mg含量对过渡层的厚度也有影响，热浸镀温度为540℃时，热浸镀Galfan合金的过渡层平均厚度为73 μm，当Mg含量为1%时，过渡层平均厚度为70 μm，Mg含量为3%时，过渡层平均厚度为48μm，Mg含量为5%时，过渡层平均厚度为37μm.过渡层随着Mg含量增加，厚度逐渐变薄.

图3 Mg含量对Zn-Al-Mg合金镀层的过渡层形貌和相组成的影响Fig.3 Effect of Mg content on morphology and phase composition of interface layer of Zn-Al-Mg alloy coating

图3为热浸镀不同成分Zn-Al-Mg合金过渡层的组织和X射线衍射谱.由图中可以看出，过渡层组织多为块状或柱状，大部分颗粒尺寸均在5 μm以下.随着合金中Mg含量提高，组织逐渐由棒状变为粒状，尺寸变小.Galfan、1%Mg和3%Mg合金过渡层均由Fe2A15Zn0.4、Al13Fe4及富Zn相组成，在5%Mg合金过渡层中出现了MgZn2相.随着Mg含量的增加，Al13Fe4相峰的强度增加，说明Al13Fe4相对含量增加.

XRD谱分析表明，与纯Galfan合金过渡层相比，1%Mg、3%Mg、5%Mg相对应的Fe2Al5Zn0.4的峰值都发生左移.这是由于Mg原子渗入到过渡层组织中，Fe2Al5Zn0.4的晶格常数改变造成的.Mg原子半径小于Al原子半径，在扩散反应过程中，Mg原子占据了Fe2Al5Zn0.4晶格中 Al原子的位置.Mg原子进入Fe2Al5Zn0.4相时引起的晶格畸变阻碍了Fe和Al的扩散反应，抑制了Fe2Al5Zn0.4相的生长，使过渡层厚度减小.同时随着Mg元素的增加，过渡层晶粒尺寸减小，从而导致过渡层与基体界面趋于平直.

图4 过渡层硬度随Mg含量变化曲线Fig.4 Curve of micro hardness of interface layer in difficult Mg contents

过渡层硬度随Mg含量变化如图4所示.Galfan合金过渡层显微硬度约为370 HV，当添加Mg元素含量为1%、1.5%、2%、3%时，过渡层硬度分别为约为405 HV、420 HV、430 HV、460 HV.随着Mg含量的增加，Mg溶入Fe2Al5Zn0.4，细化过渡层组织，从而提高了过渡层的硬度.

3 结论

1）热浸镀Zn-Al-Mg合金过渡层厚度随温度升高而增大，当温度为540℃时，过渡层厚度达到最大值，过渡层溶解速率与生成速率趋于平衡.

2）随着Mg含量增大，过渡层厚度逐渐变薄，过渡层与基体界面处由锯齿状逐渐趋于平直.

3） 过渡层主要由Fe2Al5Zn0.4，Al13Fe4等Fe-Al化合物组成，Mg可以细化晶粒，使过渡层组织变得致密，使其显微硬度增加.Mg原子渗入过渡层铁铝化合物中，抑制过渡层的形成.

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[2]吕家舜，李锋，杨洪刚，等.热浸镀锌铝镁钢板镀层组织及腐蚀性能研究[J].中国表面工程，2012，2（10）：89-93.

[3]李锋，吕家舜，杨洪刚，等.锌铝镁镀层钢板的研究进展[J].中国表面工程，2013，30（2）：45-46.

[4]Naoki Takata，Manamu Nishimoto，Satoru Kobayashi.Morphology and formation of Fe-Al intermetallic layers on iron hot-dipped in Al-Mg-Si alloy melt[J].Intermetallics，2014，54：136-142.

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[7]李智，苏旭平.钢基热浸镀锌的研究[J].材料导报，2003，17：12-14.

[8]张翔.新型锌基热镀层材料及热镀工艺的研究[D].南京：南京航空航天大学，2006.

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[10]李凯良，吴长军，彭浩平，等.Mg对Zn-11%Al合金镀层凝固组织及合金层生长的影响[J].工程科学学报，2016，38（8）：1123-1131.

[责任编辑 田 丰]

Microstructure of interface layer of hot-dip galvanizing Zn-Al-Mg alloy coating

HUO Jingliang，WU Jianjun，MA Ruina，CAO Xiaoming，XIE Yiye
（School of Materials Science and Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

In order to get better interface organization，this paper explores the effect of Mg on the interface microstructure of hot-dip Zn-Al alloy.This paper is based on Galfan which is widely used.The dipped section and surface corrosion samples were observed and analyzed while putting difficult contents of Mg into Galfan for hot dip experiments.The characteristics of microstructure and performance of interface layer of hot-dip galvanizing Zn-Al-Mg alloy coating is expounded.Results show that the thickness of hot dip Zn-Al-Mg alloy interface layer increases with the temperature: when the temperature is 540℃,the thickness of the interface layer reaches the maximum.Mg can refine grain,increasing the content of Mg can make the interface near matrix tend to be straight and make the interface thinner.Mg atoms penetrate into the Fe-Al compounds in the reaction process,and the crystal structure of the Fe-Al compound is changed,thus making the microstructure denser and the micro hardness is increased.

hot-dip galvanizing；Zn-Al-Mg alloy；interface layer；Fe-Al reaction；grain refinement

TG174.4

A

1007-2373（2017）01-0083-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2017.01.014

2016-12-09

国家自然科学基金（51601056）；河北省教育厅项目（QN20131036）

霍镜亮（1989-），男，硕士研究生.

：马瑞娜（1977-），女，副教授，11764798@qq.com.