采用EBSD技術(shù)分析熱浸鍍鋁層的顯微組織

王友彬，曾建民

（西北工業(yè)大學(xué)，凝固技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710072）

0 引 言

熱浸鍍鋁層是將鋼鐵件浸入熔融鋁液中保持一定時(shí)間而其在表面制備一層含鋁及其化合物的鍍層。該鍍鋁層具有優(yōu)良的耐腐蝕性能和抗高溫氧化性能［1-2］，主要由最外層的鋁層和中間的鐵-鋁合金層組成，中間的鐵-鋁合金層主要為柱狀Fe2Al5相，此外還有位于鋁層和Fe2Al5層之間的少量FeAl3相［3］。已有學(xué)者對熱浸鍍鋁的工藝、鍍層的耐腐蝕及抗氧化性能以及微量元素對鍍層性能的影響進(jìn)行了廣泛研究［4-7］。然而，目前關(guān)于鍍層中Fe2Al5相的晶體取向及晶粒大小等方面的研究還比較少。電子背散射衍射（EBSD）技術(shù)是一種新的分析晶體結(jié)構(gòu)及取向的方法，其分析結(jié)果能把顯微組織形貌與晶體的結(jié)構(gòu)/取向信息較好地結(jié)合起來。在對鍍鋁層進(jìn)行EBSD分析時(shí)，需要對其進(jìn)行電解拋光，但是鍍鋁層中各化合物的電位差較大，電解拋光后很難使各相都出現(xiàn)清晰的菊池衍射花樣，這也制約著EBSD技術(shù)在鍍鋁層研究中的應(yīng)用，因此僅有少量應(yīng)用EBSD技術(shù)對熱浸鍍鋁層進(jìn)行分析的研究［8-10］。鑒于此，作者先用掃描電鏡觀察鍍鋁層微觀形貌隨浸鍍時(shí)間的變化，再利用EBSD技術(shù)分析了鍍鋁層/基體界面的相分布、晶粒尺寸以及晶粒微觀取向。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

試驗(yàn)用Q235熱軋鋼板的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）為0.11C，0.55Mn，0.012Si，0.016P。熱浸鍍所用鍍液合金為純鋁（純度為99.8%）。熱浸鍍鋁的工藝流程為：鋼板經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaOH水溶液堿洗脫脂后，用蒸餾水清洗干凈；接著在體積分?jǐn)?shù)為16%的HCl水溶液中酸洗除銹，再用蒸餾水清洗干凈；然后在由質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.6%NaCl、3.6%KCl、2.4%NaF、2.4%KF組成的水溶液中進(jìn)行助鍍，最后在120℃下烘干；然后再在鋁液中進(jìn)行熱浸鍍，熱浸鍍時(shí)間分別為30，60，120，180s，熱浸鍍的溫度為750℃。

將熱浸鍍時(shí)間為120s試樣的橫截面進(jìn)行砂紙預(yù)磨和拋光處理，然后進(jìn)行電解拋光，電解液為體積比為1∶9的高氯酸與乙醇的混合溶液，電解拋光電壓為15V，時(shí)間為20s，電解拋光結(jié)束后用酒精清洗干凈。采用日立S-3400N型掃描電鏡（SEM）觀察試樣橫截面的形貌；采用EDAX-EDS型能譜儀分析各微區(qū)的成分，然后對選定區(qū)域進(jìn)行EDAXEBSD掃描采集數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)之前先確定試樣和樣品臺的放置及坐標(biāo)，如圖1所示，其中樣品臺傾斜70°，試樣的坐標(biāo)系為RD-TD-ND，其中法向ND表示垂直于試樣橫截面的方向，橫向TD表示平行于試樣表面鍍層的方向，軋向RD表示垂直于試樣表面鍍層的方向；樣品臺的坐標(biāo)系為x-y-z。EBSD采集數(shù)據(jù)后用TSL OIM Analysis 5型軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖1 鍍鋁層試樣的放置以及坐標(biāo)系示意Fig.1 Abridged general view of the placement and reference coordinates of the aluminum coating specimen

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 鍍鋁層的顯微組織

由圖2可見，熱浸鍍不同時(shí)間試樣的橫截面主要由外表面的鋁層、過渡層的鐵-鋁化合物和鋼基體三部分組成。最外面的鋁層是鋼板從鋁液中提拉出來時(shí)，粘附在其表面的鋁液冷卻凝固而形成的，其成分與鋁液的相同；一些針狀相分布在最外面的鋁層中，如圖2（a）中方框所示，經(jīng)EDS分析知這些針狀化合物為FeAl3。這主要是因?yàn)樵跓峤儠r(shí)，基體中的鐵擴(kuò)散到鋁液中，由于在常溫下鐵在鋁中的固溶度較?。?.052%），在外層鋁液凝固過程中，析出的鐵與鋁反應(yīng)形成FeAl3。中間的合金層主要為Fe2Al5相，主要是由鐵與鋁相互擴(kuò)散、發(fā)生反應(yīng)而形成的，F(xiàn)e2Al5呈柱狀嵌入至基體中。關(guān)于柱狀生長形貌的形成機(jī)理有兩種不同的解釋：其一，認(rèn)為Fe2Al5的生長方向具有選擇性，優(yōu)先選擇沿鋁-鐵擴(kuò)散的方向生長而形成［11］；其二，認(rèn)為其產(chǎn)生與基體的晶粒大小和晶界有一定的關(guān)系［3］。對比不同浸鍍時(shí)間的鍍鋁層形貌可以看出，柱狀Fe2Al5相隨浸鍍時(shí)間的延長而逐漸長大。此外，在鍍鋁層中會出現(xiàn)一些孔洞，如圖2（d）中方框所示，這是由鐵和鋁的擴(kuò)散速率不同而導(dǎo)致的［12-13］。

2.2 鍍鋁層的EBSD形貌與晶粒取向

為了更好地觀察和表征鍍鋁層/基體界面的微觀形貌及晶粒取向，選取熱浸鍍時(shí)間為120s的鍍件，對鍍層/基體界面進(jìn)行EBSD分析。由圖3可見，鍍鋁層/基體界面處不同位置點(diǎn)的菊池衍射花樣和標(biāo)定結(jié)果顯示其組成相主要為Fe2Al5和α-Fe，其中Fe2Al5為正交晶體結(jié)構(gòu)（空間群為Cmcm，a＝0.766nm，b＝0.642nm，c＝0.422nm），α-Fe為體心立方晶體結(jié)構(gòu)（空間群為IM3M，a＝0.293nm）。EBSD對鍍鋁層中相的鑒別與Awan［14］等通過EDS和XRD對鍍鋁層中相的分析一致，這表明可以通過鍍鋁層中的菊池衍射花樣對相的晶體結(jié)構(gòu)進(jìn)行標(biāo)定和分析。

選取菊池衍射花樣比較清晰、標(biāo)定率較高的區(qū)域進(jìn)行EBSD面掃描，然后對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將圖4與圖2中通過SEM觀察的鍍鋁層界面形貌相比可知，用EBSD可以更清晰直觀地觀察Fe2Al5相和α-Fe相的分布狀態(tài)，如圖4（a）所示。由圖4（b～d）可知，基體α-Fe晶粒的亮度分布比較隨機(jī)，而Fe2Al5晶粒的亮度相同或比較接近，這說明α-Fe的晶粒取向各異，而Fe2Al5的晶粒取向具有一定的方向性。

圖2 熱浸鍍不同時(shí)間后試樣橫截面的顯微組織Fig.2 Cross-sectional microstructure of samples after hot dipping for different times

圖3 熱浸鍍時(shí)間為120s鍍鋁層中Fe2Al5相以及基體中α-Fe相的EBSD菊池衍射花樣的標(biāo)定結(jié)果Fig.3 The indexed EBSD patterns of Fe2Al3phase（a）in aluminum coating andα-Fe phase（b）in the substrate with hot dipping time of 120s

進(jìn)一步對鍍鋁層中Fe2Al5相和α-Fe相的（001）極圖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5所示。α-Fe相和Fe2Al5相的（001）極圖顯示α-Fe的晶粒取向是隨機(jī)地均勻分布在各個(gè)方向上，而Fe2Al5晶粒取向主要在軋向（RD）的上下兩端偏聚，而在其它方向分布得較少；Fe2Al5在（001）極圖上的分布狀態(tài)顯示其晶粒的分布取向?yàn)椋?01）［100］方向，這表明柱狀Fe2Al5的生長方向具有一定的選擇性，優(yōu)先選擇的生長方向?yàn)椋?01）［100］方向，即垂直鍍鋁層向基體內(nèi)部的方向，亦即圖1中的RD方向。

從圖6中可以看出，F(xiàn)e2Al5/基體界面處α-Fe的晶界角度基本都大于15°；柱狀Fe2Al5內(nèi)部有較多小于5°的小角度晶界；在柱狀Fe2Al5邊界存在較多大于15°的晶界。這是因?yàn)樵贔e2Al5邊界周圍還殘存有未擴(kuò)散完的鐵，F(xiàn)e2Al5與α-Fe的晶格差別造成了大角度晶界的形成。對Fe2Al5和α-Fe相的晶粒尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖6（b）所示，可知柱狀Fe2Al5相的晶粒尺寸約為20μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于α-Fe的（8μm）。對于每個(gè)柱狀的Fe2Al5相，如果不考慮小于5°的小角度晶界，則可認(rèn)為每個(gè)柱狀相都是一個(gè)單一的晶體，都是由一個(gè)晶核通過界面反應(yīng)生長而成的。

圖4 熱浸鍍時(shí)間為120s試樣鍍鋁層/基體界面處橫截面的EBSD形貌Fig.4 EBSD morphology of the aluminum cotating/substrate interface with hot dipping time of 120s：（a）phase distribution in the aluminum coating/substrate interface；（b）grain crystal orientations distribution map in the aluminum coating/substrate interface；（c）the orientation distribution map of Fe2Al5phase and（d）the orientation distribution map ofα-Fe phase

圖5 鍍鋁層中Fe2Al5相以及基體中α-Fe相的（001）極圖Fig.5 The（001）pole figures of Fe2Al5phase（a）in aluminum coating andα-Fe phase（b）in the substrate

3 結(jié) 論

（1）Q235鋼板表面的熱浸鍍鋁層由外表面的鋁和過渡層的Fe2Al5相組成，外表面的鋁層中含有一些針狀的FeAl3相；柱狀Fe2Al5相隨熱浸鍍時(shí)間的延長而逐漸長大；由于鐵和鋁的擴(kuò)散速率不同導(dǎo)致Fe2Al5層中形成了孔洞。

圖6 鍍鋁層中Fe2Al5相以及基體中α-Fe相的晶界角度分布和晶粒尺寸分布Fig.6 The grain boundary rotation angle distribution map（a）and grain size distribution（b）of Al5Fe2phase in the aluminum alloy andα-Fe phases in the substrate

（2）Fe2Al5晶粒的取向?yàn)椋?01）［100］方向，說明Fe2Al5優(yōu)先選擇沿著擴(kuò)散方向從鍍鋁層表面向基體內(nèi)部生長，從而導(dǎo)致鍍鋁層界面不均勻生長而形成柱狀晶；基體中α-Fe的晶粒取向是隨機(jī)分布的，并未受熱浸鍍時(shí)擴(kuò)散反應(yīng)的影響。

（3）Fe2Al5柱狀晶內(nèi)部存在一些小于5°的小角度晶界；Fe2Al5晶粒的尺寸約為20μm，而基體中α-Fe的約為8μm。

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