Zn中間層對TRIP鋼Zn-Mg鍍層結合強度和耐蝕性的影響
2019-11-21 10:51:41 作者:材料人錦囊 來源:材料人錦囊 分享至:

韓國航空大學2018年在ISIJ International 發表的論文《Effect of a Zn Interlayer on the Adhesion Strength and Corrosion Resistance of Zn–Mg Coated TRIP Steel》。

使用電磁加熱沉積工藝(EMHD)在高強鋼上合成了Mg成分范圍為5 wt.%至15 wt.%的Zn-Mg涂層,研究了厚度為1μm的Zn中間層對涂層的成形性和附著力的影響。與不帶鋅中間層的Zn-Mg涂層相比,具有Zn中間層的Zn-Mg涂層在微觀結構、晶體結構和耐腐蝕性方面幾乎沒有差異。但是,鋅中間層有助于顯著改善Zn-Mg涂層的成形性和附著力。帶有鋅中間層的Zn-Mg涂層變形后的剝離面積大大減小,并且搭接剪切試驗的結果表明,帶有Zn中間層的Zn-Mg涂層的最大粘附強度大約是沒有Zn中間層的最大粘附強度的兩倍。 具有最大附著強度的Mg含量為15 wt.%的Zn / Zn-Mg涂層顯示出最佳的耐腐蝕性,經測量,其略高于10 MPa,有待對具有更高Mg含量的Zn-Mg涂層進行研究,使其附著強度必須超過20 MPa。

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Electro-magnetic heating deposition (EMHD) 的沉積速率為1μm/min,是傳統濺射速率的15倍。中間鋅層厚1μm,Zn-Mg層厚2μm。


1. 微觀組織結構

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Zn-5wt.%的Mg涂層呈現出多孔微結構,而Zn-10wt.%的Mg涂層顯示出柱狀結構。具有15 wt.%的高鎂含量的Zn-Mg涂層顯示出無特征的結構,該無特征的微結構被確定為非晶結構。

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在Zn-5 wt.%Mg涂層的XRD結果中,可以清楚地觀察到Zn相的峰,而由于Mg含量低,未檢測到其他相,表明為(Zn)固溶體。在Zn-10wt.%Mg涂層中,觀察到來自金屬間相如Mg2Zn11和MgZn2的峰。然而,Zn-15wt.%的Mg涂層的XRD圖譜表明涂層的晶體結構從晶體變為非晶。先前已經有文獻報道了高鎂含量的鋅鎂鍍層中無定形相的形成。在Mg含量為0-15wt%的鎂鋅雙元系統中,各種金屬間相(如Mg2Zn11和MgZn2)會成為平衡相。。但是,在PVD工藝中,Mg在(Zn)中的固溶度以非常高的冷卻速率(約1012 K/s)得以擴展。Dai 等人還報道了當Mg含量超過15 wt.%時,由于Mg和Zn原子之間原子尺寸的差異,(Zn)的晶體結構能夠轉變為非晶態。如圖3(b)所示,在所有帶有Zn夾層的Zn-Mg涂層中,出現Zn峰的強度,這是由于結晶Zn夾層的影響。在使用Zn / Zn-10 wt.%的Mg涂層的情況下,存在與Zn-10 wt.%Mg涂層相同的Zn-Mg合金金屬間峰,例如Mg2Zn11(210),(222),(321), (410),(411)和MgZn2(112),(104)。在Zn / Zn-15wt.%的Mg涂層中,由于Zn-15wt.%的Mg涂層的非晶態結構,僅觀察到來自Zn中間層的峰。除了由于Zn中間層而出現的Zn峰,插入Zn中間層不會帶來其他明顯差異。


2. 耐蝕性

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Zn-5wt.%的Mg涂層的腐蝕電流密度為6.96μA/ cm 2,并且隨著涂層的Mg含量增加至15wt.%,腐蝕電流密度降低至1.49μA/ cm 2。Zn-5%Mg涂層的腐蝕電位為-1.33VSCE,隨著Mg含量的增加,腐蝕電位也增加至-0.76VSCE。鎂含量增加的鋅鎂涂層變得更加穩定,腐蝕速率降低。這些結果證實了先前報道的結果,即隨著涂層中Mg含量的增加,Zn–Mg涂層的耐蝕性增加,這可能歸因于涂層的微觀結構從多孔結構轉變為致密無特征的無定形結構。Zn-Mg涂層中耐蝕性隨Mg含量的增加可以用致密的微觀結構和金屬間相來解釋,如圖2和3所示。據報道,與純Zn固溶體相相比,單一金屬間相Mg2Zn11和MgZn2改善了腐蝕性能,并且與Zn-5 wt%Mg相比,在Zn-10 wt%Mg涂層中的這些相改善了耐蝕性。由于涂層的微觀結構是一個決定涂層腐蝕防護能力的參數,它比Zn-Mg涂層中的金屬間化合物更大,含15 wt.%Mg的Zn-Mg涂層具有無定形的顯微組織顯示出最佳的耐腐蝕性。圖4(b)顯示Zn / Zn-Mg涂層具有與Zn-Mg涂層相似的耐蝕性,因為它們具有相同的微觀結構和金屬間相。Zn / Zn-Mg涂層的腐蝕電流密度從5.89μA/ cm2變為1.55μA/ cm2,當Mg含量從5 wt.%增加到15 wt。時,腐蝕電位從-1.39 VSCE增加到-0.59 VSCE。%。在基材和Zn-Mg涂層之間插入Zn中間層并沒有顯示出對Zn-Mg涂層的耐腐蝕性的有害影響,但實際上,耐腐蝕性能略有提高,如表1所示,這可以歸因于Zn / Zn-Mg涂層中附加的相間邊界效應(additional interphase boundary effect )。


3. 結合強度

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全文結論:Mg組成范圍從5 %到15 %的Zn-Mg涂層是通過EMHD工藝以1μ/ min的高沉積速率沉積的,并且在基底和基底之間沉積了厚度為1μm的Zn中間層。Zn-Mg涂層可改善涂層的可成形性和附著力。當Zn–Mg涂層的Mg組成從5%增加到15%時,涂層的微觀結構從多孔結構變為無特征結構,而晶體結構從晶體變為非晶結構。Zn-Mg涂層的耐蝕性隨Mg含量的增加而增加。Zn / Zn-Mg涂層與Zn-Mg涂層具有相似的化學組成,晶體結構和耐蝕性,即使在沉積Zn中間層時也是如此。附著力評估結果表明,Zn-Mg涂層的附著力和可成形性可通過Zn中間層的沉積得到大幅度改善,并且Zn / Zn-Mg涂層的最大附著力約為Zn-Mg的兩倍。搭接剪切試驗中的鎂涂層。然而,具有15%(重量)的Mg的Zn / Zn-Mg涂層的最大粘附強度顯示出最佳的耐腐蝕性,據測得略高于10 MPa,這遠低于汽車應用所需的粘附強度。根據先前報道的論文,通過傳統的純鋅電鍍鋅(EG)涂層和熱浸鍍鋅(GI)涂層在鋼上的搭接剪切試驗,其粘合強度顯示為約16至19 MPa.因此,需要進行更多的研究為了在工業上通過EMH PVD工藝用Zn-Mg涂層代替EG和GI涂層,仍然需要增加含鎂量獲得超過20 MPa的Zn-Mg涂層的附著強度。

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