Si及退火處理對Fe-Mo合金組織形貌影響的分析

劉新

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

Si及退火處理對Fe-Mo合金組織形貌影響的分析

劉新

（湖南工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

借助SEM、EDS和XRD技術(shù)研究分析了Si及退火處理對Fe-Mo合金組織形貌的影響。結(jié)果表明：Si的加入可以細(xì)化晶粒，促進(jìn)原子擴(kuò)散和新化合物的生成；退火處理會(huì)引起晶粒粗大和強(qiáng)化相Laves相的析出。本文中的研究為尋找組織細(xì)小、熱穩(wěn)定性好的Fe基耐鋅液腐蝕材料奠定了基礎(chǔ)。

Fe-Mo合金；耐鋅液腐蝕；Laves相

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車企業(yè)間競爭的激烈化，人們對汽車抵御外界環(huán)境破壞能力和汽車長期運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性、耐腐蝕性以及汽車的整體外觀性提出了更為苛刻的要求。汽車所受外界的三種損壞（事故、磨損和腐蝕）中，以腐蝕損壞最為普遍和嚴(yán)重。而利用熱鍍鋅工藝在金屬表面生成一層致密且耐腐蝕的鍍鋅層，已成為汽車行業(yè)有效避免汽車整車遭受外界電解質(zhì)腐蝕的最經(jīng)濟(jì)和最有效的措施［1］。然而，在熱浸鍍鋅工藝中，液態(tài)鋅在熔融狀態(tài)下對大多數(shù)的金屬都具有很強(qiáng)的腐蝕性，不僅會(huì)損壞設(shè)備還會(huì)降低鍍鋅層的性能［2］。因此，發(fā)展良好的耐鋅液腐蝕材料，提高熱浸鍍鋅設(shè)備的使用壽命，改善鍍鋅層的性能，已成為目前熱鍍鋅行業(yè)迫切需要解決的問題。

國內(nèi)外不少學(xué)者對耐液鋅腐蝕材料進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究：Tsipas等人［3］研究了碳鋼和高合金鋼滲硼后在熔鋅中的耐蝕性，表現(xiàn)出良好的性能；吳忠等人［4］早在70年代就發(fā)現(xiàn)Mo-30W合金具有良好的耐液鋅腐蝕性，但在鋅液中容易發(fā)生斷裂；攸琦等人［5］對Mo-Co-B合金進(jìn)行了研究，該合金耐蝕性較好，但仍屬于脆性材料；曹曉明等人［6］利用粉末冶金方法制備了Fe-B金屬間化合物，發(fā)現(xiàn)其具有良好的耐熔鋅腐蝕能力；劉俊友等人［7］對Fe-Cr-Mn-Si四元合金進(jìn)行了研究，并重點(diǎn)研究了Si含量的影響，總結(jié)了相關(guān)規(guī)律。目前國際上，實(shí)際熱鍍鋅設(shè)備中沉沒輥和穩(wěn)定輥的材料以Co-Mo-Cr-Si系列高溫合金為主，該合金基于Laves強(qiáng)化，以α-Fe為韌性相，表現(xiàn)出很好的抗高溫氧化、高溫強(qiáng)度，尤其是在較高溫度下具有較好的熱腐蝕能力［8-9］。但我國資源缺Co，而且Co的價(jià)格昂貴又是重要的戰(zhàn)略貯備物資，因此以Fe代Co開發(fā)新型鐵基合金并部分取代Co基合金將帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益。借鑒Co-Mo-Cr-Si系列高溫合金強(qiáng)化機(jī)理，課題組嘗試設(shè)計(jì)一種以Fe2Mo（Laves相）為強(qiáng)化相，α-Fe為韌性相的新型Fe基耐液鋅腐蝕材料。根據(jù)相圖計(jì)算結(jié)果預(yù)測，Ni、Cr、Mn、Cu、Al和Si等元素以及熱處理工藝可能對合金的抗高溫氧化、高溫強(qiáng)度和耐蝕性產(chǎn)生較大的影響。

本文中通過研究Si元素和退火對富Fe區(qū)域內(nèi)Fe-Mo合金顯微組織形貌的影響，探索Si元素和退火對組織的影響規(guī)律，為確定Fe基耐液鋅腐蝕材料的元素含量和熱處理工藝提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)

根據(jù)Fe-Mo二元相圖（圖1）［10］富Fe區(qū)的金屬間化合物成分，設(shè)計(jì)了如表1所示的合金名義成分。實(shí)驗(yàn)采用純度99.99%（質(zhì)量百分比）的Fe粒、Mo片、Si粒作為原材料，用精度為0.1mg的光電天平稱量原材料，在非自耗鎢極磁控真空熔煉爐內(nèi)反復(fù)熔煉5次，以獲得組織均勻的合金鑄錠。利用電火花線切割設(shè)備從鑄錠心部切取具有規(guī)則形狀的試樣，將試樣利用石英管真空密封后，放入箱式電阻爐中進(jìn)行真空均勻化退火處理，均勻化退火溫度為1 150℃，保溫時(shí)間為9 h，隨爐冷卻。

鑄態(tài)和退火后試樣經(jīng)過鑲樣、預(yù)磨、精磨和拋光后，采用成分為“CuSO4（4 g）+鹽酸（100m l）+酒精（100 ml）”的腐蝕劑腐蝕10 s后，利用JSM-6360LV掃描電子顯微鏡（SEM）分析合金的微觀組織；并用OXFORD INCA能譜儀（EDS）測定合金組成相的成分；用日本理學(xué)型號(hào)為Rigaku-IV的XRD衍射儀（Cu靶Kα射線，步長0.02°，電壓40 kV，電流40mA）對細(xì)小鑄態(tài)組織進(jìn)行物相鑒定。

圖1 Fe-Mo二元相圖

表1 Fe-Mo-Si名義成分表（質(zhì)量百分比） %

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 鑄態(tài)及退火態(tài)組織形貌分析

如圖2 a所示，在晶界位置，細(xì)長的針狀組織將短小的針狀組織分割開，而基體主要分布在晶內(nèi)位置。Si元素的加入（含量1%）使合金鑄態(tài)組織變得均勻而細(xì)?。▓D2 b），短小的針狀組織規(guī)則交織排列在基體之上；當(dāng)Si含量為2%時(shí)，基體上生成了大顆粒狀組織，部分粒狀組織聚集成長條狀（圖2 c），組織均勻性變差；Si含量達(dá)到3%后，基體被首尾相連的環(huán)狀組織分割開，組織也呈現(xiàn)細(xì)長形貌（圖2 d）。

退火處理后，合金中晶粒方向性強(qiáng)的組織均被破壞，呈現(xiàn)出粗大的組織形貌（圖2 e～h）。鑄態(tài)中的針狀組織為不穩(wěn)定的化合物，退火處理使組織形貌發(fā)生了轉(zhuǎn)變，并可能生成了新的Fe-Mo金屬間化合物；同時(shí)，Si元素的加入，使退火組織中相對粗大的相中間析出了細(xì)小的顆粒狀組織。

通過分析合金鑄態(tài)及退火態(tài)組織形貌圖，可以明顯發(fā)現(xiàn)：Si元素的加入在一定程度上細(xì)化了Fe-Mo金屬間化合物的晶粒大??；退火處理后合金組織形貌發(fā)生了較大改變，普遍呈現(xiàn)粗大的組織形貌，并可能促進(jìn)了新相的析出。

2.2 鑄態(tài)及退火態(tài)組織成分分析

為了進(jìn)一步分析Si元素和退火工藝對合金組織成分的影響，分別對鑄態(tài)和退火態(tài)組織進(jìn)行了XRD圖譜和EDS能譜分析，其結(jié)果如圖3和表2所示。根據(jù)合金成分1～3鑄態(tài)組織XRD圖譜，F(xiàn)e3Mo在鑄態(tài)組織中穩(wěn)定存在，同時(shí)Si元素的加入還促進(jìn)了高溫相Fe63Mo37（Chi相）的析出。根據(jù)表2中成分點(diǎn)1和3的Fe、Mo和Si的EDS成分分析結(jié)果：Si元素同時(shí)固溶于基體α-Fe和Fe-Mo金屬間化合物中，但Si元素分布于Chi相的量高于基體；當(dāng)Si的含量小于3%時(shí)，Si元素的加入可以促進(jìn)高溫相Chi相在鑄態(tài)中的析出。

圖2 不同合金的鑄態(tài)及退火態(tài)顯微組織

圖3 典型合金鑄態(tài)及退火態(tài)XRD圖譜

由圖3中合金成分2和成分3的XRD圖譜以及表2中列出的EDS點(diǎn)成分分析表，可以看出：合金經(jīng)過退火處理后，均生成了α-Fe+Laves相的兩相共存組織，圖2中灰亮的為Fe2Mo（Laves相），而黑色組織為α-Fe基體；隨著Si的加入，退火組織中會(huì)生成大量的小顆粒狀產(chǎn)物，經(jīng)XRD圖譜分析，其結(jié)果仍顯示為Laves組織；鑄態(tài)下存在的Fe3Mo和Chi相經(jīng)退火處理后已完全轉(zhuǎn)化為Laves相；Si元素在Laves相中的分布較基體中高。

通過Matlab軟件對圖2所示的基體和Fe-Mo金屬間化合物體積份數(shù)進(jìn)行定量分析（表3）可知：鑄態(tài)組織中基體的份額較多，F(xiàn)e-Mo金屬間化合物的份額較少，而退火處理后，F(xiàn)e-Mo金屬間化合物的量較多；并隨著Si元素的加入，合金退火態(tài)中Fe-Mo二元化合物體積分?jǐn)?shù)增加較明顯，較不加Si元素的成分1合金有較大幅度的增加；但二元化合物退火態(tài)中含量與Si含量之間并無線性關(guān)系。

表2 典型顯微組織EDS成分表

表3 組成相的體積分?jǐn)?shù)

根據(jù)Fe-Mo二元相圖，F(xiàn)e3Mo為亞穩(wěn)相，常溫下不能穩(wěn)定存在；Chi相為高溫相，只在添加合金元素（如Ni和Cr）的Fe-Mo多元合金中生成［11］。Fe-Mo二元合金鑄態(tài)組織中Fe3Mo相的出現(xiàn)，主要是因?yàn)槿蹮掃^程中弧光放電局部溫度極高，冷卻時(shí)采用冷卻水銅管冷卻，冷卻速度非?？?，致使原子的擴(kuò)散變得異常困難，從而阻礙了一些元素之間的化合反應(yīng)，導(dǎo)致亞穩(wěn)相在鑄態(tài)組織中穩(wěn)定存在。同樣的現(xiàn)象，日本學(xué)者在對Fe-M-B（M=Mo，W）三元系的研發(fā)和西北工業(yè)大學(xué)在深過冷條件下組織組成物分析中也出現(xiàn)過［12-13］。而合金中Chi相的出現(xiàn)，其主要原因是Mo原子的擴(kuò)散速度非常緩慢，添加的Si元素能促進(jìn)Fe-Mo原子的結(jié)合，但快速的冷卻速度仍無法讓反應(yīng)完全實(shí)現(xiàn)。

通過分析合金鑄態(tài)和退火態(tài)組織成分和形貌，可以得出：Si元素的加入促使合金鑄態(tài)組織成分發(fā)生了改變，由α-Fe+Fe3Mo轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Fe+Fe3Mo+ Fe63Mo37（Chi相）；退火工藝使Fe-Mo金屬間化合物發(fā)生了Fe3Mo和Chi相向Laves相的轉(zhuǎn)變；Si元素在Fe-Mo二元化合物中的分布量較基體中多。

3 總結(jié)

本文中實(shí)驗(yàn)研究了不同含量Si及退火處理對Fe-Mo合金組織形貌的影響，得出如下結(jié)論：1）Si元素的加入，在鑄態(tài)組織中起到了細(xì)化晶粒、提高組織均勻性的作用；2）退火處理會(huì)導(dǎo)致組織晶粒的粗化，并促使合金中強(qiáng)化相Laves的形成；3）Si元素和較快冷卻速度能使亞穩(wěn)相Fe3Mo在鑄態(tài)中穩(wěn)定存在。Fe-Mo-Si合金的耐液鋅腐蝕性能、力學(xué)性能以及加工性能，Ni、Cr、Al及Cu等元素對Fe-Mo合金耐液鋅腐蝕性能的影響等將在后續(xù)工作中逐一研究。

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Effectof Siand Annealing on Microstructure of Fe-Mo Alloys

Liu Xin
（SchoolofMechanical Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China）

Through the SEM,EDS and XRD technology,the effects of Si and annealing on themicrostructure of Fe-Mo alloyswere researched.The results show that the addition of Sican refine the grain, promote the diffusion ofatomicsand the formation of the new Fe-Mo compounds.The coarse grainsand precipitation of Laves phase are brought by annealing process.The research results lay the foundation for looking for the finemicrostructure,excellent thermal stability Fe based corrosion resistancematerials inmolten zinc.

Fe-Moalloy;corrosion resistance inmolten zinc;Lavesphase

TG174

：A

：1008-5483（2017）01-0077-04

2017-01-01

湖南省教育廳一般科研項(xiàng)目（14C0342）

劉新（1983-），女，湖南新邵人，碩士，從事新材料設(shè)計(jì)和材料成形原理的研究。E-mail：469058921@qq.com

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.01.018