耐熔融锌液腐蚀材料的制备与研究

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连续热镀锌生产线上锌锅内的各个零部件(沉没辊、稳定辊、轴套、轴瓦等)处于极其严苛、恶劣的工作环境中,容易与高温熔融锌液发生扩散、溶解、反应等复杂的相互作用,并最终导致部件尺寸的变化,使整个沉没辊系统失效。除此之外,镀锌部件还受到带钢及部件转动带来的磨损作用,大大加速了部件的损耗和失效。研究制备出具有优良耐高温锌液腐蚀性能的新型材料,解决锌液中的腐蚀、磨损问题,对提高锌锅中零部件的使用寿命,降低生产成本及提高工业生产效率均具有重要意义。本文针对工业生产中存在的上述问题分别采用表面热处理的方法制备了氧化涂层及使用等离子喷涂的方法制备了TiC复合涂层,并对其在高温锌液中的腐蚀行为及腐蚀机理进行了深入的分析和研究。对Fe-20Cr-10Mn合金进行氧化处理(OT)及氮化氧化处理(NOT)后,均可以有效提高合金材料在高温熔融锌液中的耐腐蚀性能。相较于未进行热处理的Fe-20Cr-10Mn合金在锌液中表现出的均匀腐蚀的特征,OT合金及NOT合金在锌液中均表现出一定的潜伏期(潜伏期分别为10天和30天)。当腐蚀时间超过潜伏期后合金将发生局部腐蚀,随着腐蚀的进行,腐蚀速率明显增加。相较于OT合金,NOT合金表面形成的氧化涂层更均匀、致密,且与基体结合良好,在锌液中表现出极差的浸润性,具有最好的抗熔融锌液腐蚀性能。随着腐蚀时间的增加,锌原子逐渐扩散进入涂层中并发生了涂层中铬元素向锌液中的溶解。涂层中的缺陷(孔隙、裂纹)成为锌液腐蚀的通道,在锌液的扩散-取代应力、热应力和锌液带来的渗透压力作用下引起裂纹扩展,并最终造成了涂层的剥落和失效。使用等离子喷涂制备了添加不同TiC含量的Fe-20Cr-10Mn-x vol.%TiC(x=30,50)复合涂层(FTB30,FTB50),并研究了热处理(FTA30,FTA50)对涂层孔隙率、物相、结合强度、显微硬度、抗热震性能及耐磨损性能的影响。FTB30及FTB50两种涂层在经过热处理后,孔隙率分别下降了39.64%及50.65%,涂层结合强度分别提高了19.82%及44.12%,抗热冲击次数分别下降了73次及192次,涂层显微硬度出现了小幅下降。TiC复合涂层中的TiC相在热处理过程中可以与氧气发生反应,生成金红石型TiO2的同时,产生了53%体积膨胀,愈合了涂层中的孔隙。涂层中的TiC在热处理过程中作为自愈合封孔剂降低了涂层的孔隙率。TiC复合涂层经自愈合热处理后,涂层中的TiC的相对含量(TiCR%)下降,形成的更为致密的组织使涂层耐磨损性能增加。热处理前的TiC复合涂层在熔融锌液中表现出一定的潜伏期,超过潜伏期后涂层易发生局部腐蚀。尤其是孔隙率高且组织更为疏松的FTB50涂层,潜伏期非常短(10天),其耐锌液腐蚀性能受涂层中孔隙等缺陷的控制,疏松多孔的涂层结构易在锌液的渗透作用下发生剥离并最终导致涂层的失效。热处理后的TiC复合涂层具有更均匀、致密的组织,不易发生局部腐蚀,表现出更优异的抗熔融锌液腐蚀性能。其中,FTA50涂层中形成了更多的具有耐锌液腐蚀性能强的层片状TiC/TiO2结构,具有最好的抗锌液腐蚀性能。热处理后的TiC复合涂层在锌液中优先发生锌液对粘结相的腐蚀,涂层中脆性的TiC/TiO2结构在相变应力、热应力及渗透压力的综合作用下产生显微裂纹,最终发生断裂、剥离并漂移进入锌液中。相较于通过热处理工艺在合金表面制备氧化涂层的方法,经自愈合后的TiC复合涂层(FTA50)更厚,且具有更优异的耐锌液腐蚀性能。当锌液中同时存在腐蚀和磨损的情况下,可以更有效保护基体,抵抗外界环境的侵蚀。
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