采用EBSD技術分析熱浸鍍鋁層的顯微組織

王友彬，曾建民

（西北工業大學，凝固技術國家重點實驗室，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行了廣泛研究［4-7］。然而，目前關于鍍層中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）技術是一種新的分析晶體結構及取向的方法，其分析結果能把顯微組織形貌與晶體的結構/取向信息較好地結合起來。在對鍍鋁層進行EBSD分析時，需要對其進行電解拋光，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清晰的菊池衍射花樣，這也制約著EBSD技術在鍍鋁層研究中的應用，因此僅有少量應用EBSD技術對熱浸鍍鋁層進行分析的研究［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間的變化，再利用EBSD技術分析了鍍鋁層/基體界面的相分布、晶粒尺寸以及晶粒微觀取向。

1 試樣制備與試驗方法

試驗用Q235熱軋鋼板的化學成分（質量分數/%）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：鋼板經質量分數為10%的NaOH水溶液堿洗脫脂后，用蒸餾水清洗干凈；接著在體積分數為16%的HCl水溶液中酸洗除銹，再用蒸餾水清洗干凈；然后在由質量分數為3.6%NaCl、3.6%KCl、2.4%NaF、2.4%KF組成的水溶液中進行助鍍，最后在120℃下烘干；然后再在鋁液中進行熱浸鍍，熱浸鍍時間分別為30，60，120，180s，熱浸鍍的溫度為750℃。

將熱浸鍍時間為120s試樣的橫截面進行砂紙預磨和拋光處理，然后進行電解拋光，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，時間為20s，電解拋光結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的成分，然后對選定區域進行EDAXEBSD掃描采集數據。在采集數據之前先確定試樣和樣品臺的放置及坐標，如圖1所示，其中樣品臺傾斜70°，試樣的坐標系為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；樣品臺的坐標系為x-y-z。EBSD采集數據后用TSL OIM Analysis 5型軟件進行數據分析。

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

2 試驗結果與討論

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，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EDS分析知這些針狀化合物為FeAl3。這主要是因為在熱浸鍍時，基體中的鐵擴散到鋁液中，由于在常溫下鐵在鋁中的固溶度較小（0.052%），在外層鋁液凝固過程中，析出的鐵與鋁反應形成FeAl3。中間的合金層主要為Fe2Al5相，主要是由鐵與鋁相互擴散、發生反應而形成的，Fe2Al5呈柱狀嵌入至基體中。關于柱狀生長形貌的形成機理有兩種不同的解釋：其一，認為Fe2Al5的生長方向具有選擇性，優先選擇沿鋁-鐵擴散的方向生長而形成［11］；其二，認為其產生與基體的晶粒大小和晶界有一定的關系［3］。對比不同浸鍍時間的鍍鋁層形貌可以看出，柱狀Fe2Al5相隨浸鍍時間的延長而逐漸長大。此外，在鍍鋁層中會出現一些孔洞，如圖2（d）中方框所示，這是由鐵和鋁的擴散速率不同而導致的［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，選取熱浸鍍時間為120s的鍍件，對鍍層/基體界面進行EBSD分析。由圖3可見，鍍鋁層/基體界面處不同位置點的菊池衍射花樣和標定結果顯示其組成相主要為Fe2Al5和α-Fe，其中Fe2Al5為正交晶體結構（空間群為Cmcm，a＝0.766nm，b＝0.642nm，c＝0.422nm），α-Fe為體心立方晶體結構（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構進行標定和分析。

選取菊池衍射花樣比較清晰、標定率較高的區域進行EBSD面掃描，然后對所采集的數據進行分析。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，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，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菊池衍射花樣的標定結果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

進一步對鍍鋁層中Fe2Al5相和α-Fe相的（001）極圖進行統計，結果如圖5所示。α-Fe相和Fe2Al5相的（001）極圖顯示α-Fe的晶粒取向是隨機地均勻分布在各個方向上，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）極圖上的分布狀態顯示其晶粒的分布取向為（001）［100］方向，這表明柱狀Fe2Al5的生長方向具有一定的選擇性，優先選擇的生長方向為（001）［100］方向，即垂直鍍鋁層向基體內部的方向，亦即圖1中的RD方向。

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

圖4 熱浸鍍時間為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 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相隨熱浸鍍時間的延長而逐漸長大；由于鐵和鋁的擴散速率不同導致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晶粒的取向為（001）［100］方向，說明Fe2Al5優先選擇沿著擴散方向從鍍鋁層表面向基體內部生長，從而導致鍍鋁層界面不均勻生長而形成柱狀晶；基體中α-Fe的晶粒取向是隨機分布的，并未受熱浸鍍時擴散反應的影響。

（3）Fe2Al5柱狀晶內部存在一些小于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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