热浸镀锌合金体系的热力学分析及应用

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1、湘潭大学博士学位论文热浸镀锌合金体系的热力学分析及应用姓名：尹付成申请学位级别：博士专业：材料物理与化学指导教师：苏旭平;张平20041001湘潭大学博士学位论文摘要摘要锌及锌基合金主要用于热浸镀锌，提高钢制件的耐腐蚀性能。每年超过50%的锌用于该目的，目前国内镀锌业以每年50%的速度增长。镀锌工艺可以分为一般镀锌和连续镀锌两种。尽管镀锌工艺历史悠久，但在理论和技术上仍然存在许多难以解决的难题。在一般镀锌中，含硅钢在镀锌过程中由于硅的反应性，使得镀层质量变差。通过往锌池中加入一定的镍或者提高镀锌温度，可以在一

2、定程度上抑制硅的反应性，但机理不清楚。在连续镀锌过程中，铝是一种重要的添加元素，可以抑制中间相的产生，减少镀层的脆性。但铝含量的高低直接影响镀层质量和镀锌工艺，其含量必须严格控制，企业迫切需要一种精确测定有效铝的系统。锌池中的铝和稀土可以提高镀层的耐蚀性。熔锌具有强烈的腐蚀性，目前用于镀锌的耐磨耐蚀材料的性能不能满足生产需要。锌池中合金元素对镀层质量起到关键作用，其成分一般都特别复杂。锌池热化学性质的研究对于控制镀锌质量、优化工艺过程和开发新型镀锌合金具有重要的作用。目前对锌池合金体系的热化学性质及耐磨耐蚀合

3、金的了解甚少。本文选取锌池体系中最重要的Si、Al、Ni、RE等元素，围绕Zn-Fe-Si、Zn-Fe-Al、Zn-Fe-Si-Ni、Fe-Mo-Cr-Ni、RE-Al、RE-Ag等体系在热力学分析、相图测试、工艺控制和合金设计等方面展开研究,以期解决镀锌过程中的几个基础和应用问题。由于Fe-Zn-Si三元系在镀锌工业中的重要性，本工作采用Thermo-Calc软件，利用CALPHAD技术，对该体系进行了热力学计算，根据晶体结构建立了δ,Γ1,Γ等相的亚点阵模型：(Fe,Zn,Si)10Znl6、(Fe,Zn

4、,Si)14Zn12和(Fe,Zn,Si)4Fe2Zn20，获得了该体系中每个相的热力学模型参数。利用这些参数，可以对热力学数据和相关系进行合理、可靠、自洽地描述及获得准确的相图数据，这些工作对理解硅的反应性有重要的意义。Al、RE是镀锌合金中的重要添加元素，而Ag-Zn是一种重要的焊接材料，作为基础研究，对La-Al，Ce-Al，Pr-Al，Ag-Pr，Ag-Ce等合金体系进行热力学优化和评估，为建立高元体系的热力学分析数据库打下基础。含硅钢的镀锌涉及到Zn-Fe-Si-Ni四元合金体系。相图和热力学描述有

5、利于对其机理的理解。利用金相显微镜，SEM-EDS和X-射线衍射方法研究了不同合金的显微组织和相组成，获得Zn-Fe-Si-Ni四元系富锌角560℃等温截面。实验发现，在富锌I湘潭大学博士学位论文摘要角FeSi基本上与所有相存在平衡，包括T、δ、γ-Ni、NiSi2和液相。对Fe-Zn-Al体系进行了热力学分析，获得描述体系中液相的热力学参数。在此基础上，对有效铝探测器的原理、制作方法、信号采集系统进行了一定的探讨，研究开发出一种用于测量连续镀锌锌池中有效铝的半固体探测器及在线检测系统。该系统在我国第一条汽车

6、钢板镀锌生产线——宝钢1550CGL连续镀锌生产线上试用，效果很好。利用CALPHAD技术，选择Fe-Mo-Cr-Ni合金体系，在对相图进行系列计算的基础上，设计出基于Laves相强化的耐磨耐蚀合金的成分和热处理工艺。合金成分范围大致可以选择为：FeMo20-30Ni12Cr15-18Si1-2。该合金可作为制造镀锌设备的材料。关键词：镀锌，热力学，相平衡，探测器，锌基合金，耐磨耐蚀合金II湘潭大学博士学位论文AbstractTheThermodynamicAnalysisofAlloySystemsUsed

7、inZincBathofHot-dippingGalvanizinganditsApplicationsAbstractZincandZinc-basedalloysareusedmainlyinhot-dippinggalvanizingtoimprovingthecorrosion-resistanceofsteel.Morethanhalfofzincisusedforthispurpose.Inrecentyears,theChinesegalvanizingindustryhasexpandedat

8、anastonishingspeedof50%annualrats.Therearetwokindsofgalvanizingprocessing,bybatchorcontinuousgalvanizing.Batchgalvanizinghasalonghistory,buttherearestillmanytechnicalchallengesforSi-containingsteelresu