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参考文献
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图1 20钢热浸镀稀土铝试样经850 ℃扩散处理4 h后扩散层横截面的组织形貌

图2 扩散层的次外层与过渡层的组织形貌

图3 扩散层表面磨掉250 μm后的X射线衍射谱

图4 距扩散层外表面约230~280 μm处某一视场的透射电镜明场像和电子衍射花样

表▲

表1 试样扩散层表面磨掉250 μm后的X射线衍射结果

中国有色金属学报

文章编号：1004-0609(2007)10-1632-05

热浸镀铝钢扩散层的AlFe₃C_0.5相

张伟¹，文九巴²，王晓峰¹，熊飞¹，催新安³

(1. 洛阳理工学院材料系，洛阳 471023；

2. 河南科技大学材料科学与工程学院，洛阳 471023；

3. 洛阳石化工程公司，洛阳 471003)

摘要：

采用740 ℃热浸镀铝方法，在20碳钢表面制备热浸镀铝层。镀铝层经850 ℃扩散处理4 h后，采用SEM和XRD确定扩散层的相组成，采用TEM研究组成相的晶体学取向关系。分析AlFe₃C_0.5相的形成原因。结果表明：扩散层与基体之间存在Fe₃Al、FeAl和点阵常数为0.377 nm的针叶状AlFe₃C_0.5相；针状AlFe₃C_0.5与Fe₃Al相之间存在的晶体学取向关系是、。

关键词：

热浸镀铝钢；扩散层；Fe3AlC0.5相；晶体学；

中图分类号：TG171; TG113　　文献标识码：A

AlFe₃C_0.5 phase in diffusion layers of hot dip aluminized steel

ZHANG Wei¹, WEN Jiu-ba², WANG Xiao-feng¹, XIONG Fei¹, CUI Xin-an³

(1. Department of Materials Engineering, Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471003, China;

2. School of Materials Science and Engineering, Henan University of Science and Technology, Luoyang 471023, China;

3. Luoyang Petrochemical Engineering Corporation, Luoyang 471003, China)

Abstract: The aluminized coating on 20 carbons steel was prepared by hot dip aluminizing method at 740 ℃. After the coating diffusion treatment at 850 ℃ for 4 h, the microstructure of the interface between the diffusion layers and steel substrate was determined by scanning electronic microscopy and X-ray diffractometry, and the lattice orientation relation between constituent phases was analyzed by transmission electron microscopy. The formation mechanisms of Fe₃AlC_0.5 phase were also discussed. The results indicate that Fe₃Al, FeAl and needle-like AlFe₃C_0.5phase with lattice constant of 0.377 nm exist between the diffusion layers and steel substrate. In addition，the lattice orientation relation between AlFe₃C_0.5 and Fe₃Al is , .

Key words: hot dip aluminizing; diffusion layer; AlFe₃C_0.5 phase; crystallography

在钢材表面形成渗铝层的方法很多，如粉末包埋渗铝和热浸镀渗铝等。这些方法均可显著提高钢材的抗氧化、抗腐蚀和耐磨损等性能，已广泛应用于石油、化工、航空和冶金等领域的表面防护上^[1-3]。渗铝钢的优良性能实质上是镀层组织结构的反映。因此，许多学者对渗铝层的微观组织结构进行了大量研究。研究者普遍认为：1) 碳钢粉末包埋渗铝后，其渗铝层随着铝浓度的增加，可依次得到α相、Fe₃Al、FeAl、FeAl₂、Fe₂Al₅固溶体或化合物相^[3-4]；2) 钢材热浸镀铝后，镀层由表面层和合金层组成。表面层由Al和FeAl₃相组成，合金层由Fe₂Al₅和少量FeAl相组成^[5-6]。经扩散处理后，扩散层物相组成与粉末包埋渗铝后相同。由基体向表面依次为α相、Fe₃Al、FeAl、FeAl₂和Fe₂Al₅等固溶体或化合物相^[10-13]。针状Fe₃Al相大部分沿α相的晶界呈半网络状分布，少量出现在α相晶内。Kobayashi和Yakou^[14]在碳钢表面热浸镀铝，然后在 1 323 K高温下扩散1 h后，获得表层为Fe₂Al₅，第二层为FeAl，第三层为Fe₃Al的化合物镀层。即无论是粉末包埋渗铝还是扩散处理后的热浸镀铝钢，其扩散层与基体之间的针状相均为Fe₃Al相，而未发现其它严重影响渗铝层(扩散层)与基体界面结合强度的含碳铁-铝化合物相。本文作者通过SEM、TEM和XRD等研究了经扩散处理后热浸镀铝钢扩散层与基体之间的物相组成，发现扩散层与基体之间的针状相为AlFe₃C_0.5相，而并非Fe₃Al相。由于AlFe₃C_0.5相的脆性比Fe₃Al大，故此研究对揭示高温下热浸镀铝钢扩散层的剥落机理有重要意义。

迄今为止，虽然已有Al-Fe-C三元相图的研究成果报道^[15]，但对于C含量低于0.3%(质量分数)的Al-Fe-C三元合金的相变分析尚无参考依据。虽然对AlFe₃C_0.5在电渣熔炼获得的Al-Fe-C三元合金的研究证实其存在的真实性^[16]，但形成机理并不清楚。因此，本文作者还对热浸镀铝钢扩散层中AlFe₃C_0.5相的形成原因进行分析。

1 实验

基体材料为20碳钢，试样尺寸为30 mm×20 mm×3 mm。热浸镀铝液是含镧量为0.5%的稀土铝合金。

试样经除油、除锈、助镀处理后，在740 ℃的稀土铝合金熔液中浸镀3 min，出炉空冷，然后在850 ℃的空气炉中扩散处理4 h。试样随炉升温，随炉冷却。

用JSM-5610LV型扫描电镜对扩散层形貌进行观察。用X，Pert MPD Pro型X射线衍射仪确定扩散层与基体之间的相组成。用CM200型透射电子显微镜对试样的微结构和电子衍射花样进行分析，工作电压为160 kV。

TEM试样的制作方法如下：先沿垂直于扩散层(扩散后试样)方向切割出0.5 mm厚带有渗层的薄片，再将两块试样沿扩散层对粘在一起，用砂纸研磨至50~60 μm厚。然后用冲子冲下直径3 mm的圆片，进行离子减薄，最终得到透射电镜薄片样品。

2 结果和分析

2.1 扩散层横截面的组织形貌

热浸镀稀土铝试样经扩散处理后扩散层横截面的组织形貌如图1所示。由图可知，经扩散处理后，扩散层分3层。最外层颜色较黑，其上分布大量空洞。最外层下面是由黑逐渐变灰的次外层。次外层和基体之间是颜色较浅的过渡层。各层之间的界面毗连不平齐，呈波浪状。图2所示为扩散层的次外层与过渡层的组织形貌。可以看出，次外层与过渡层界面之间有一灰色过渡带，其上分布的针叶状相(通常认为的Fe₃Al相)向基体方向伸展。过渡层由柱状组织和块状组织组成。

图1 20钢热浸镀稀土铝试样经850 ℃扩散处理4 h后扩散层横截面的组织形貌

Fig.1 SEM micrograph of diffusion layers of steel 20 aluminized at 850 ℃ for 4 h

图2 扩散层的次外层与过渡层的组织形貌

Fig.2 Micrograph of subsurface layer of hot dip aluminizing steel after diffusion treatment

2.2 扩散层与基体之间的相组成

为分析扩散层与基体之间的相组成，将试样表面磨去250 μm后进行X射线衍射分析，其衍射谱见图3。将衍射结果与粉末衍射标准联合委员会(JCPDS)公布的标准粉末衍射卡进行对比(见表1)可知，扩散层的次外层与过渡层之间由Fe₃Al、FeAl和AlFe₃C_0.5相组成。

图3 扩散层表面磨掉250 μm后的X射线衍射谱

Fig.3 XRD pattern of surface of specimen after wearing down 250 μm

表1 试样扩散层表面磨掉250 μm后的X射线衍射结果

Table 1 Analysis results of X-ray diffraction on surface of specimen after wearing down 200 μm

2.3 AlFe₃C_0.5和Fe₃Al相之间的晶体学取向关系

图4(a)所示为距扩散层外表面约230~280 μm处某一视场的透射电镜明场像。白色针状相与黑色相相互交叉。对图4(a)中区域1和2进行选区电子衍射(见图4(b))和指数标定，可确定图4(a)中区域1和2分别为Fe₃Al相和AlFe₃C_0.5相。对照图2可知，其中的针状相实际上是AlFe₃C_0.5相，并非通常认为的Fe₃Al相，而图2中次外层与过渡层之间的灰色过渡带应属Fe₃Al相，这与文献[10-14]得出的结论完全不同。进一步分析表明， AlFe₃C_0.5和Fe₃Al相之间存在如下的晶体学取向关系：

AlFe₃C_0.5相属立方晶系，a=0.377 00 nm，其硬度比Fe₃Al相高，因此薛群基等^[17]已采用加温燃烧合成熔化法制备出力学性能和抗磨损性能优良的AlFe₃C_0.5增强Fe₃Al基复合材料^[17]。但就热浸镀铅钢而言，脆性大的AlFe₃C_0.5的存在对其过渡区与基体的结合产生不利影响。

图4 距扩散层外表面约230~280 μm处某一视场的透射电镜明场像和电子衍射花样

Fig.4 TEM micrograph and SAD pattern of diffusion layers in 230-280 μm from surface: (a) TEM micrograph; (b) SAD patterns of zone of Fe₃Al and zone of AlFe₃C_0.5; (c), (d) Schematic index diagrams in Fig.4(b)

3 讨论

钢材热浸镀铝后，其镀铝层由表面层和合金层组成^[5-6]。在高温扩散过程中，镀铝层的铝向基体方向扩散，基体中的铁向镀铝层扩散，从而在扩散层/基体界面形成铝含量不同的金属间化合物相。根据铁铝平衡状态图，紧靠基体的相应是Fe₃Al相。但马臣^[18]的研究表明，铝会降低碳在固态铁中的溶解度。因此，随着铝向基体方向的扩散，固溶在铁素体和Fe₃C中的碳将析出，而碳原子不能穿过合金层，使碳原子浓度在合金层前沿逐渐升高。若铝原子在此方向继续扩散就必须将碳原子向更深层推移，在扩散层前沿形成碳原子的富集区。由于铁与铝具有较大的结合能，铁铝化合物的结构难以因碳原子的富集而破坏，而碳原子的半径又小，只能形成C原子择优占据Fe原子八面体间隙的间隙化合物AlFe₃C_0.5相。AlFe₃C_0.5相在Fe₃Al化合物相中达到饱和时，就会析出与基体相晶体衍射结构平行的晶体相。

4 结论

1) 热浸镀铝钢经850 ℃扩散处理4 h后，其扩散层与基体之间存在FeAl、Fe₃Al和点阵常数为0.377 nm的针叶状AlFe₃C_0.5相。

2) 针叶状AlFe₃C_0.5相与Fe₃Al相之间存在的晶体学取向关系是：；。

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基金项目：河南省重点攻关资助项目(0423023500)；河南省自然科学基金资助项目(0511021600)；洛阳市科技计划资助项目(040221)

收稿日期：2007-02-04；修订日期：2007-06-25

通讯作者：张伟，高级工程师，博士；电话：0379-65928195；E-mail: weizhang57@163.com

(编辑龙怀中)

摘要：采用740 ℃热浸镀铝方法，在20碳钢表面制备热浸镀铝层。镀铝层经850 ℃扩散处理4 h后，采用SEM和XRD确定扩散层的相组成，采用TEM研究组成相的晶体学取向关系。分析AlFe₃C_0.5相的形成原因。结果表明：扩散层与基体之间存在Fe₃Al、FeAl和点阵常数为0.377 nm的针叶状AlFe₃C_0.5相；针状AlFe₃C_0.5与Fe₃Al相之间存在的晶体学取向关系是、。