Si对Fe-B合金锌液腐蚀产物“取向钉扎效应”的作用机制

The corrosion of hot galvanizing equipment in liquid zinc restricts the development of galvanizing industry. The interfacial microstructures of materials can affect the corrosion-resistant properties of materials in liquid zinc, and it effective controls are the foundation of service life of materials in liquid zinc. Based on the spontaneous interface structure evolution of Fe-B alloy in liquid zinc, and considering the mutual protection of different corrosion compound, a new idea is conceived in this project that control the spontaneous interface structure evolution effectively by adding Si elements. This idea comes from the phenomena that the Si can change the corrosion compounds type and laws of generation and growth. The relationships between the spontaneous interface structure evolution and corrosion resistance in flowing liquid zinc are extensively and systematically investigated by effectively controlling the type, generation and growth of corrosion compounds. The key factors and relevant mechanisms during the spontaneous interface structure evolution are deeply discussed because the Si elements can affect the corrosion interfacial microstructures and corrosion resistance of Fe-B alloy in liquid zinc. It is likely to clarify the effect and its interaction mechanism of Si elements on different corrosion compounds synergism in present research proposed in this project, and it will also put forward a novel idea and a new approach to enhance corrosion resistance and control spontaneous interface structure evolution of corrosion-resistant materials in flowing liquid zinc.

热镀锌设备在锌液中的腐蚀严重制约了热镀锌工业的发展，已成为亟待解决的重要课题。锌液腐蚀界面结构是材料抗锌液腐蚀性能的关键影响因素，其有效控制是提高材料抗锌液腐蚀性能的重要途径。项目基于Fe-B合金锌液腐蚀界面结构随着腐蚀条件的改变自发演化的特征以及腐蚀化合物与腐蚀界面残余Fe2B之间具有相互保护作用这一现象，根据Si元素能够改变腐蚀化合物的类型、生成和长大规律的事实，提出通过添加Si元素有效控制腐蚀界面演化过程、缩短或消除“取向钉扎效应”的孕育期以提高合金抗锌液腐蚀性能的新思路。通过有效控制腐蚀化合物生成和生长，研究腐蚀界面微结构演化过程与抗腐蚀性能之间的关联性；揭示Si元素对界面结构演化的影响机制，阐明其对“取向钉扎效应”的产生及其强度的作用机制和腐蚀界面腐蚀产物之间相互保护的影响及作用机理，为有效提高合金抗腐蚀性能尤其是抗动态腐蚀性能与界面微结构调控提供新的的思路与方法。

熔融锌液对金属材料具有剧烈的腐蚀性，热镀锌设备部件在服役过程中频繁失效导致巨大的资源和能源浪费。定向Fe-B合金具有独特的耐蚀相Fe2B+韧性相α-Fe的组织结构，在锌液中能够形成 “取向钉扎效应”，从而具有优异的耐锌液腐蚀性能。“取向钉扎效应”的形成依赖于Fe-Zn化合物的生长、形态及其与Fe2B相的相互作用。Si元素能够影响Fe-Zn反应的进行，在不改变合金原有组织结构的前提下，通过调整定向Fe-B合金（α-Fe中的Si含量），达到调控腐蚀过程中Fe-Zn反应进程，控制“取向钉扎效应”形成，进一步提高定向Fe-B合金耐锌液腐蚀性能目的。阐明Si元素影响“取向钉扎效应”以及合金腐蚀行为的机理。研究结果表明，Si固溶于Fe-Zn化合物，导致其体积膨胀，对在残余Fe2B相之间狭小空间形成良好的钉扎作用影响显著；此外，Si在腐蚀界面富集，而Fe-Zn相不能与富Si锌液共存，导致ζ-FeZn13相远离腐蚀界面形核、δ-FeZn10相消失，元素扩散由固相扩散转变为液相扩散。“取向钉扎效应”的形成需要Fe-Zn化合物的尺度与残余Fe2B相之间的间隙相适应，因此，“取向钉扎效应”形成的孕育期不可消除。Si含量对定向Fe-B合金耐锌液腐蚀性能的影响呈非线性关系。Si含量为0.3 wt.%时，“取向钉扎效应” 最强、孕育期最短，耐锌液腐蚀性能最优；Si含量为0.2wt.%时，耐锌液腐蚀性能最差。当Si含量小于0.3wt.%时，定向Fe-B合金耐锌液腐蚀性能变化规律与“圣德林效应”相似，随着Si含量进一步提高，不再符合“圣德林效应”规律。较高的腐蚀温度条件下“取向钉扎效应”被削弱，锌液温度达到500℃时，“取向钉扎效应”基本消失；冲蚀速度较高时，Si元素的含量对“取向钉扎效应”的影响降低；锌液中Al元素的添加改变了腐蚀产物类型及其组织形貌有效抑制了流动锌液的腐蚀。随着Si含量的增加，定向Fe-B合金在含Al锌液中的腐蚀深度逐渐降低。项目的实施，阐明了Si元素对定向Fe-B合金在锌液中形成“取向钉扎效应”以及合计腐蚀行为的影响机理，这一机理的阐明是对液态金属腐蚀理论有益的补充和完善，因此，项目成果具有较高的科学意义。