·1126 工程科学学报，第38卷，第8期 A1/Mg☑n2三元共晶组织.Zn-11%Al合金液加入Mg 形核和长大→在枝晶附近形成MgZn,六方晶核→密排 元素后，由于Z中几乎不溶解Mg元素，因此在镀层 六方结构晶粒(Zn相)依靠MgZn2六方晶核长大→三 的凝固过程中Mg元素将从Zn中排挤到晶界上与Zm 元共晶组织凝固→枝晶分解为粒状共晶组织→凝固完 形成MgZn,化合物，导致Zn/Al/Mg☑n,三元共晶组织 成.ZnH1%Al-3.0%Mg合金镀层表面X射线衍射图 生成.由于三元共晶组织中相组成的复杂性，各种合 谱如图2(b)所示.与Zn-11%A1合金镀层表面X射 金元素的扩散和化合物的生成使三元共晶组织明显细 线衍射图谱（图2(a))相比，该图谱中多出一个MgZn2 化.魏云鹤等a的研究结果表明，当纯锌液中Mg添 相的衍射峰.有研究表明1，Mg☑，相的存在，可以显 加量小于2%时，可以起到细化Z相的作用.童晨 著提高镀层的耐蚀性 等如认为少量的Mg元素可以细化Zn6%Al合金凝 如图1(d)所示为Zn-11%Al-4.5%Mg合金镀层 固组织.本文的实验结果与魏云鹤等和童晨等的研究 凝固组织.该镀层组织中粗大的块状Mg☑，相明显增 结果基本一致叨，在锌铝合金中添加Mg元素可以明 多，并且部分被富A1相包围，Zn/A1二元离异共晶组 显细化锌铝合金的疑固组织. 织特征比Zn-11%A1-3.0%Mg合金更为明显.此外， Zn-11%Al-3.0%Mg合金镀层凝固组织如 除了存在富Al相和较粗大的Zn/Al/MgZn,三元共晶 图1（©）所示.由图可见，该合金镀层组织中除存在富 组织外，还出现A1/MgZn2二元共晶组织.粗大的块状 A1相以外，组织中仍出现少量的离异Z如/A1二元共晶 Mg☑，相的存在对镀层会带来两方面的影响：一方面 组织，即块状富Zm相基本消失，同时Zn/Al/MgZn2三 MgZ,相的存在可以大幅提高镀层的耐蚀性：但是，由 元共晶组织有所粗化，除此之外组织中出现部分粗大 于MgZm,相是一种硬脆相，通常在没变形前微裂纹就 的Mg☑n,相，且在该相周围生成Zn相.文献8]报道 已经存在于该相中，使得镀层抗裂性大大降低，而且镀 该合金镀层凝固组织的形成过程大致如下：富A1枝晶 层的粉化也相对较高四， a 25x10G 2.5×10 .2.0x105 82.010 1.5×10 15x1o 1.0x10 LOxIO 0.5×105 11 0.5x10 33 23233 123 2 1-Zn 1-Zn 2-A1 2-A1 3-MgZn. 0 50 60 70 80 30 0 50 60 70 80 20M 20M9 图2Zn-11%Al和Zn-11%A-3.0%Mg合金镀层X射线衍射图谱.(a)Zn-11%Al:(b)Zn-11%A-3.0%Mg Fig.2 X-tay diffraction patterns of Zn-11%Al and Zn-11%Al-3.0%Mg alloy coatings:(a)Zn-11%Al;(b)Zn-11%Al-3.0%Mg 2.2Mg对Zn-11%Al合金镀层中合金层生长的 富集，并含有少量的Zn.Chen等发现，热浸镀锌铝 影响 合金镀层与基体之间形成的金属间化合物是含少量 热浸镀纯锌时，锌液与基体之间会快速的形成一 Zn的Fe,Al,Zn,和FeAl,Zn,的混合物，刚开始时在铁基 层Fe-Z如化合物，该化合物层的剧烈生长会对镀层的 表面形成Fe2AL,Zn,相，随着浸镀时间的延长，将会在 成形性以及抗裂性造成不良的影响u,同时也会引起 Fe,Al,Zn相外层生成不连续的FeAl,Zn,相，使得金属 大量的铁损，造成资源浪费，因此镀锌液中常常会加入 间化合物层急剧增厚.图3中靠近基体的栅状组织即 一定量的AI元素.A!原子会富集在钢基与镀层的界 为Fe,Al,Zn相（原子数分数：62.84%Al,25.85%Fe, 面上，对Fe-Zn合金层反应有很强的阻滞作用.此外，3.31%Z),该相层比较致密，在浸镀初期沿着基体表 由于Fe与Al的亲和力较强，在紧贴钢基与镀层界面 面垂直生长.紧挨着Fe2AL,Zn,相的外层为FeAl,Zn,相 上将生成一层Fe一Al金属间化合物，抑制Fe-Zn化合 (原子数分数：68.76%Al,23.16%Fe,8.08%Zm),其 物的生长，使镀层减薄，防止界面产生裂纹☒.图3是 特点是疏松且不连续，线扫描能谱显示F元素含量有 Zn-11%Al和ZnH1%Al3.0%Mg合金浸镀60s的镀 所下降，Al元素含量升高，其中含有的Zn也较Fe,Al, 层横截面扫描电镜照片及各元素线扫描结果.由图中 Zn,相层略有增多.Zn-11%Al-3%Mg合金镀层线扫 可见两种合金镀层中合金层内有Fe和Al两种元素的 描图谱如图3(b)所示.合金层中各元素含量的变化工程科学学报，第 38 卷，第 8 期 Al /MgZn2三元共晶组织． Zn--11% Al 合金液加入 Mg 元素后，由于 Zn 中几乎不溶解 Mg 元素，因此在镀层 的凝固过程中 Mg 元素将从 Zn 中排挤到晶界上与 Zn 形成 MgZn2 化合物，导致 Zn /Al /MgZn2 三元共晶组织 生成． 由于三元共晶组织中相组成的复杂性，各种合 金元素的扩散和化合物的生成使三元共晶组织明显细 化． 魏云鹤等［16］的研究结果表明，当纯锌液中 Mg 添 加量小于 2% 时，可以起到细化 Zn 相的作用． 童 晨 等［11］认为少量的 Mg 元素可以细化 Zn--6% Al 合金凝 固组织． 本文的实验结果与魏云鹤等和童晨等的研究 结果基本一致［17］，在锌铝合金中添加 Mg 元素可以明 显细化锌铝合金的凝固组织． Zn--11% Al--3. 0% Mg 合 金 镀 层 凝 固 组 织 如 图 1( c) 所示． 由图可见，该合金镀层组织中除存在富 Al 相以外，组织中仍出现少量的离异 Zn /Al 二元共晶 组织，即块状富 Zn 相基本消失，同时 Zn /Al /MgZn2 三 元共晶组织有所粗化，除此之外组织中出现部分粗大 的 MgZn2相，且在该相周围生成 Zn 相． 文献［18］报道 该合金镀层凝固组织的形成过程大致如下: 富 Al 枝晶 形核和长大→在枝晶附近形成 MgZn2六方晶核→密排 六方结构晶粒( Zn 相) 依靠 MgZn2 六方晶核长大→三 元共晶组织凝固→枝晶分解为粒状共晶组织→凝固完 成． Zn--11% Al--3. 0% Mg 合金镀层表面 X 射线衍射图 谱如图 2( b) 所示． 与 Zn--11% Al 合金镀层表面 X 射 线衍射图谱( 图 2( a) ) 相比，该图谱中多出一个 MgZn2 相的衍射峰． 有研究表明［19］，MgZn2相的存在，可以显 著提高镀层的耐蚀性． 如图 1( d) 所示为 Zn--11% Al--4. 5% Mg 合金镀层 凝固组织． 该镀层组织中粗大的块状 MgZn2相明显增 多，并且部分被富 Al 相包围，Zn /Al 二元离异共晶组 织特征比 Zn--11% Al--3. 0% Mg 合金更为明显． 此外， 除了存在富 Al 相和较粗大的 Zn /Al /MgZn2 三元共晶 组织外，还出现 Al /MgZn2二元共晶组织． 粗大的块状 MgZn2相的存在对镀层会带来两方面的影响: 一方面 MgZn2相的存在可以大幅提高镀层的耐蚀性; 但是，由 于 MgZn2相是一种硬脆相，通常在没变形前微裂纹就 已经存在于该相中，使得镀层抗裂性大大降低，而且镀 层的粉化也相对较高［20］． 图 2 Zn--11% Al 和 Zn--11% Al--3. 0% Mg 合金镀层 X 射线衍射图谱． ( a) Zn--11% Al; ( b) Zn--11% Al--3. 0% Mg Fig． 2 X-ray diffraction patterns of Zn--11% Al and Zn--11% Al--3. 0% Mg alloy coatings: ( a) Zn--11% Al; ( b) Zn--11% Al--3. 0% Mg 2. 2 Mg对 Zn--11% Al 合金 镀 层 中 合 金 层 生 长 的 影响 热浸镀纯锌时，锌液与基体之间会快速的形成一 层 Fe--Zn 化合物，该化合物层的剧烈生长会对镀层的 成形性以及抗裂性造成不良的影响［21］，同时也会引起 大量的铁损，造成资源浪费，因此镀锌液中常常会加入 一定量的 Al 元素． Al 原子会富集在钢基与镀层的界 面上，对 Fe--Zn 合金层反应有很强的阻滞作用． 此外， 由于 Fe 与 Al 的亲和力较强，在紧贴钢基与镀层界面 上将生成一层 Fe--Al 金属间化合物，抑制 Fe--Zn 化合 物的生长，使镀层减薄，防止界面产生裂纹［22］． 图 3 是 Zn--11% Al 和 Zn--11% Al--3. 0% Mg 合金浸镀 60 s 的镀 层横截面扫描电镜照片及各元素线扫描结果． 由图中 可见两种合金镀层中合金层内有 Fe 和 Al 两种元素的 富集，并含有少量的 Zn． Chen 等［23］发现，热浸镀锌铝 合金镀层与基体之间形成的金属间化合物是含少量 Zn 的 Fe2Al5Znx和 FeAl3Znx的混合物，刚开始时在铁基 表面形成 Fe2Al5 Znx相，随着浸镀时间的延长，将会在 Fe2Al5Znx相外层生成不连续的 FeAl3 Znx相，使得金属 间化合物层急剧增厚． 图 3 中靠近基体的栅状组织即 为 Fe2Al5Znx相( 原子数分数: 62. 84% Al，25. 85% Fe， 3. 31% Zn) ，该相层比较致密，在浸镀初期沿着基体表 面垂直生长． 紧挨着 Fe2Al5Znx相的外层为 FeAl3Znx相 ( 原子数分数: 68. 76% Al，23. 16% Fe，8. 08% Zn) ，其 特点是疏松且不连续，线扫描能谱显示 Fe 元素含量有 所下降，Al 元素含量升高，其中含有的 Zn 也较 Fe2Al5 Znx相层略有增多． Zn--11% Al--3% Mg 合金镀层线扫 描图谱如图 3( b) 所示． 合金层中各元素含量的变化 · 6211 ·