Sandelin效应的微观机理模型探析.doc

Sandelin效应微观机理的解释模型 车淳山 卢锦堂 陈锦虹 许乔瑜 孔纲 （华南理工大学材料科学与工程学院510640） 摘 要:钢中Si含量对热镀锌反应的影响即Sandelin效应已经研究多年，但其微观机理尚无比较完整统一的解释。到目前为止，主要有三种模型来解释它，即：Γ失稳模型、J.Foct模型和析氢模型。Γ失稳模型把含Si钢镀层的异常生长与Γ相的失稳相联系，认为伴随着Γ相的失稳，为Si提供了载体，Si进入ζ层中造成ζ层失稳而导致异常须状组织形成。J.Foct模型认为含Si钢出现异常组织是由于浸锌时钢基表面存在含饱和Si的液态锌层。析氢模型认为钢中的Si不是直接影响热镀锌过程的，而是通过影响氢在钢中的扩散而间接影响热镀锌过程的。这三种模型都能解释Sandelin效应的一些现象，但仍需进一步深入研究和验证。 关键词：Sandelin效应，热浸镀锌，活性钢 1 前言 热镀锌是一种用于钢铁抗大气腐蚀的经济有效的表面处理方法，全世界至少有半数以上的锌都用于热镀锌。但适用于传统工艺进行热镀锌的钢只能是含Si低（小于0.05 wt%）的钢［1］如沸腾钢，当对含Si较高的镇静钢或半镇静钢采用常规的热镀锌方法进行镀锌时，由于Sandelin效应的作用，铁锌反应加快，往往得到表面灰暗、超厚、粘附力差的镀层，令镀层质量下降，锌耗增加。 近年来，由于连续铸钢技术在世界范围内被广泛应用，钢材大多为含Si镇静钢或半镇静钢（含Si0.07-0.30wt%），此外，Si含量在0.3wt%以上低合金高强度结构钢也得到了日益广泛的应用，令采用传统工艺热镀锌时出现问题，迫切需要找到抑制Si不良作用的经济有效的的工艺。人们在长期的实践探索中也找到了一些行之有效的方法，其中以在锌浴中加Al、Ni、Sn等合金元素的应用最为广泛[2]-[7]，同时对钢中Si影响镀层的微观机理也进行了深入研究。 2 Sandelin效应 早在20世纪40年代，Sandelin就研究过钢中Si对热镀锌层影响的规律［8］。根据这个规律（即Sandelin效应），在正常的镀锌温度范围内（通常为450℃左右），钢中含Si量在0.1%左右和大于0.3%时，对镀层的影响最大，如图1所示。按含Si量，Sandelin曲线可分为四个区间：0.035％为低硅区，处于这个区域的钢称为亚Sandlin钢(hypo-Sandelin steel)；0.035－0.12%为Sandelin区,处于这个区域的钢称为Sandelin钢(Sandelin steel)；0.12－0.28％为Sebisty区,处于这个区域的钢称为Sebisty钢；0.28％为高硅 图1 钢中Si对热镀锌层厚度的影响 区，处于这个区域的钢称为过Sandelin钢(hyper-Sandelin steel)。在低硅区，镀层组织基本不受Si的影响，可以获得正常厚度的光亮镀层，图2a为典型的低硅钢镀锌组织，镀层由稳定致密的Fe/Zn合金层组成，从基体向外依次为Γ、Γ1、δ1、ζ和η相；在Sandelin区，镀层异常生长，镀层超厚灰暗，图2b为Sandelin钢镀锌组织，呈迸发状（又称须状），破碎的ζ分布在η基体中，且δ1很薄；在Sebisty区，镀层变薄并且镀层的厚度随着温度的升高而降低，镀层组织与低硅钢镀层相似；在高硅区，镀层超厚灰暗，但是组织形态与Sandelin区不同，它由块状、疏松不连续的ζ＋η和不连续的δ1相组成，过Sandelin钢的典型镀锌组织见图2c。 (a) (b) (c) 图2 不同含硅钢的典型镀层组织 含Si量小于0.06%时，镀层的生长遵循抛物线规律，Si含量在0.06-0.1%和0.5%时，镀层的生长遵循直线规律［9］。Si对于镀层的影响最明显地表现在对ζ相（FeZn13）的生长和形态的影响。 3 Sandelin效应的微观机理解释模型 1 目前主要有三种模型解释Sandelin效应 1）Γ失稳模型 M.S,Kozdras等人［10］着重对含Si低于0.2%的Fe（Si）/:当出现须状组织的同时出现Γ相失稳，因而把ζ相的异常生长与Γ（Fe3Zn10）和Γ1（Fe5Zn21）的失稳关联起来。 在Si含量很低如0.005％Si时，可以获得连续稳定致密的Γ和Γ1层，如图3a所示。当钢中的硅含量超过0. 136Si％时，含过饱和Si的Γ层就会失稳变成孤立的粒子，当Γ1相不断形成时，Γ相的微小粒子就会从Fe基界面脱离（如图3b所示）。与此同时，Γ1相会转变成δ1，孤立的Γ粒子会逐步向Γ1层移动，Γ粒子在Γ1层中的运动类似于Kirkendall效应中惰性标志的移动，这是把Si输送到Γ1相中的传输机制。由于Si在Γ相中的溶解度要大于Si在Γ1相中的溶解度，所以Γ粒子不会在Γ1中分解而会向Γ1/δ1