蒸发制备锌镁合金镀层中锌镁层的扩散研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)复旦大学材料科学系 作者:马进

  锌镁合金镀层是一种具有优异防腐蚀性能的新型钢板保护镀层, 真空镀由于其优良的镀层性能正逐步发展为锌镁合金镀层的重要制备工艺。本文在镀锌钢板表面采用真空热蒸发镀镁, 再由快速退火工艺形成锌镁合金镀层。通过X 射线衍射、二次离子质谱和扫描电镜分析了在退火过程中锌、镁层的扩散过程, 并通过盐雾试验和电化学测试研究扩散过程对锌镁合金镀层腐蚀性能的影响。研究发现: 退火过程中镁快速向锌层扩散, 并在锌层内一定深度处富集, 而锌逐渐向镁层扩散, 这种相互扩散形成了锌镁合金。同时铁也会向锌层扩散, 形成锌铁合金。镁富集区具有扩散阻挡作用, 阻止镁进一步向内扩散的同时也阻止铁向表面的扩散。腐蚀性能测试表明, 370 􀀁 下退火60~ 120 s 的样品具有较好防腐蚀性能。

  锌镁合金镀层作为一种新的钢板防护镀层由于其优异的耐腐蚀性能而受到广泛关注。真空镀由于其镀层具有良好的附着力、致密度、硬度和耐腐蚀性正逐渐取代传统的热浸镀和电镀成为制备钢板锌镁合金镀层的新技术。日本神户制钢所和德国蒂森克虏伯钢铁公司对真空镀制备钢板锌镁合金镀层的研究表明锌镁合金镀层具有优异的耐腐蚀性能。

  目前采用的技术路线包括在镀锌钢板上蒸镀镁层再通过快速退火形成锌镁合金镀层以及直接在钢板上镀锌镀镁两种。Shimogori 等提出了一种锌镁双源共蒸流水线, 通过调整蒸发源的位置、流水线行速和蒸发速率, 可以得到不同的镀层结构。福居康等的专利是在钢板表面分别依次蒸镀不同厚度的锌单质、镁单质和锌单质, 蒸镀结束后退火使镁层和锌层相互扩散形成3 层或5 层的结构。德国蒂森克虏伯钢铁公司考虑到与现今成熟的镀锌钢板工艺相衔接, 采用镀锌钢板上蒸镀镁再快速退火形成锌镁合金的工艺, 在中试线上获得了成功。

  目前对耐蚀机理的研究初步表明, 锌镁金属间化合物的形成可能是其耐腐蚀性能提高的主要原因 , 而对真空蒸发制备锌镁合金的形成过程中锌和镁的扩散行为未见报道, 而这恰恰是形成锌镁合金的一个关键因素。曾报道过退火工艺对锌镁合金晶相结构的影响, 得到了形成锌镁合金的最佳退火条件。在此基础上, 对锌层和镁层的扩散行为进行了研究, 发现锌与镁的扩散行为并不完全相同,镁会在锌层中形成一个高浓度的阻挡层, 该阻挡层能有效地阻止基板上的铁向外层扩散, 避免了退火过程中由于锌铁合金层的形成而引起的防腐蚀性能的下降。

  结论

  镀锌钢板真空蒸发镀镁之后快速退火形成锌镁合金的过程中, 镁快速扩散进入锌层并在一定深度富集, 而锌逐渐向镁层扩散, 这种相互扩散形成了锌镁合金。同时铁也会向锌层扩散, 形成锌铁合金。镁富集区具有扩散阻挡作用, 阻止镁进一步向内扩散的同时也阻止铁向表面的扩散。

  盐雾腐蚀研究表明: 退火时间较短时, 锌镁合金使得生成红锈的时间大大增加, 退火时间120 s 的样品出现红锈的时间约为纯锌样品的7 倍, 随着退火时间的增长, 出现红锈时间减少。电化学过程研究表明腐蚀分为钝化层形成, 钝化层溶解和锌层溶解三个阶段。如果表面还有较多镁单质存在时, 则首先有镁的溶解过程。钝化膜溶解后则进入锌保护钢板的阶段。

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