钢基材粗糙度对热浸Zn-Al-Mg涂层微观结构和性能的影响

《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of steel substrate roughness on microstructure and properties of hot-dip Zn-Al-Mg coating

热浸镀Zn-9Al-3Mg-0.2Si涂层时，钢基板粗糙度显著影响涂层微观结构、力学性能和耐蚀性。实验表明，基板粗糙度由1.399 μm降至0.563 μm，涂层Al富集枝晶占比从32.76%增至41.34%，同时共晶结构占比下降，晶粒细化导致硬度提升（ZAM1硬度最高）。但电化学测试显示，粗糙度1.028 μm的ZAM2涂层耐蚀性最佳，其自腐蚀电流密度最低（1.2746×10?? A/cm2），因Al枝晶与共晶比例更优，形成致密腐蚀产物层

　　本文探讨了不同表面粗糙度的钢基底对Zn-9Al-3Mg-0.2Si镀层微观结构、机械性能和耐腐蚀性的影响。研究通过热浸镀锌工艺在不同粗糙度的钢基底上制备了三种镀层，并对它们的结构特征、机械性能和电化学行为进行了系统分析。结果表明，钢基底的表面粗糙度在镀层形成过程中扮演了关键角色，影响了镀层的微观结构、晶粒取向以及最终的性能表现。

在热浸镀锌过程中，钢基底的表面粗糙度显著影响镀层的微观结构。较高的表面粗糙度为镀层提供了更多的成核位点，从而促进了细小晶粒的形成。这种晶粒细化现象与Hall-Petch效应相关，即随着晶粒尺寸的减小，镀层的硬度增加。相反，随着钢基底表面粗糙度的降低，成核位点减少，导致晶粒尺寸增大，晶粒之间的分布更加均匀。这一趋势在所有三种镀层中均得到验证，其中ZAM1镀层由于基底粗糙度最高，其晶粒尺寸最小，而ZAM3镀层由于基底粗糙度最低，其晶粒尺寸最大。

镀层的微观结构主要由Al富集的树枝状晶粒、MgZn?金属间化合物以及Zn/Al/MgZn?或Zn/Al/Mg?Zn??的层状共晶结构组成。研究发现，随着钢基底粗糙度的增加，Al富集晶粒的面积比例下降，而共晶结构的面积比例上升。这种变化表明，基底的表面粗糙度对镀层的相分布具有重要影响。例如，ZAM1镀层中Al富集晶粒的面积比例为32.76%，而ZAM3镀层中该比例达到41.34%。这种差异可能与成核过程中的表面形貌有关，粗糙表面提供了更多的成核位点，使得Al富集晶粒的生长受到抑制，从而减少了其面积比例。

在镀层的晶粒取向方面，研究利用电子背散射衍射（EBSD）技术对镀层的表面和截面进行了分析。结果表明，随着钢基底表面粗糙度的降低，镀层的晶粒取向变得更加均匀。ZAM1镀层由于基底粗糙度较高，其晶粒取向表现出较大的随机性，而ZAM3镀层由于基底较为光滑，晶粒取向趋于一致，形成了典型的Cube {001}<100>取向特征。这表明，基底表面粗糙度对镀层的晶粒取向具有显著影响，尤其是在高粗糙度情况下，晶粒取向呈现出更多样的分布模式。

机械性能方面，研究通过纳米压痕实验对镀层的硬度和弹性模量进行了测试。结果显示，随着钢基底粗糙度的增加，镀层的硬度显著提高。ZAM1镀层的硬度最高，而ZAM3镀层的硬度最低。这一现象与晶粒细化有关，晶粒细化增加了晶界数量，从而提高了镀层的硬度。此外，镀层的弹性模量在不同粗糙度条件下没有显著变化，表明基底粗糙度对镀层的弹性性能影响较小。

在耐腐蚀性方面，研究通过Tafel极化曲线和电化学阻抗谱（EIS）分析了三种镀层的性能。结果表明，ZAM2镀层在3.5% NaCl溶液中表现出最佳的耐腐蚀性，其自腐蚀电流密度最低，为1.2746 × 10?? A/cm2。这可能与镀层中较高的共晶结构比例有关，共晶结构能够促进均匀且致密的腐蚀产物形成，从而有效抑制进一步的腐蚀。此外，ZAM2镀层的晶粒尺寸较大，晶界数量较少，这降低了其与腐蚀介质的反应活性，从而提高了耐腐蚀性。

研究还发现，钢基底的表面粗糙度对镀层的微观结构和性能具有显著的调控作用。在热浸镀锌过程中，基底表面的不规则形态为镀层的成核和生长提供了更多的可能性，导致晶粒细化和更多的晶界形成。这些晶界在一定程度上增加了镀层的硬度，但也可能成为腐蚀的潜在通道。因此，通过控制钢基底的表面粗糙度，可以在不引入额外合金元素的情况下，有效提升镀层的硬度和耐腐蚀性。

此外，研究还分析了镀层中的元素分布和相组成。通过扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）技术，研究发现Zn在镀层中主要分布在共晶结构中，而Al和Mg则主要集中在Al富集晶粒和MgZn?相中。MgZn?相具有较高的硬度，但较低的延展性，这可能影响镀层的整体机械性能。同时，镀层中的Mg?Si相以针状或点状形式存在，其分布也受到基底粗糙度的影响。

在镀层的电化学性能方面，研究通过EIS测试分析了不同镀层的阻抗特性。结果表明，ZAM2镀层的电化学阻抗谱显示出较大的电容弧半径，表明其具有较高的电荷转移电阻和较好的耐腐蚀性。相比之下，ZAM1和ZAM3镀层的电容弧半径较小，说明其电荷转移阻力较低，腐蚀速率较高。此外，镀层的电化学参数（如Rs、Rf和Rct）也因基底粗糙度的不同而有所变化，进一步验证了基底粗糙度对镀层性能的影响。

研究还探讨了基底粗糙度对镀层微观结构形成机制的影响。在热浸镀锌过程中，基底表面的不规则形态为镀层的成核和生长提供了不同的路径。较高的基底粗糙度促进了更多的成核位点，从而形成了更细小的晶粒结构，而较低的基底粗糙度则导致晶粒尺寸增大，晶粒分布更加均匀。这种变化可能与成核过程中的表面能和界面能有关，表面能越低，成核越容易发生，从而形成更细小的晶粒。

在镀层的晶界分布方面，研究发现ZAM1镀层由于基底粗糙度较高，晶界数量较多，而ZAM3镀层由于基底较为光滑，晶界数量较少。这种差异可能与晶粒的生长速度和成核数量有关。较高的基底粗糙度导致更多的成核位点，从而形成更多的晶界，而较低的基底粗糙度则减少成核位点，使晶粒更容易生长并形成更大的尺寸。

此外，研究还发现，镀层中的共晶结构对腐蚀产物的形成具有重要影响。在腐蚀过程中，MgZn?和η-Zn相首先溶解，释放Zn2?离子，同时Al作为微阴极减少溶解的氧气，使界面pH值升高。这种pH值的升高促进了Zn?(OH)?Cl?·2H?O（simonkolleite）的快速形成，该化合物具有较高的致密性和稳定性，能够有效抑制腐蚀介质的扩散，从而提高镀层的耐腐蚀性。相比之下，Zn?(OH)?(CO?)?（hydrozincite）和Al?Mg?(OH)??(CO?)·3H?O的形成则较为缓慢，且含量较低。

综上所述，本文的研究结果表明，钢基底的表面粗糙度对Zn-9Al-3Mg-0.2Si镀层的微观结构、晶粒取向、机械性能和耐腐蚀性具有显著影响。较高的基底粗糙度有助于形成更细小的晶粒结构，提高镀层的硬度，但可能降低其耐腐蚀性。相反，较低的基底粗糙度促进晶粒的均匀分布和较大的晶粒尺寸，从而改善镀层的耐腐蚀性能。因此，通过合理控制钢基底的表面粗糙度，可以在不引入额外合金元素的情况下，优化镀层的结构和性能，为热浸镀锌工艺的工业应用提供理论支持和技术指导。