Zn中間層對TRIP鋼Zn-Mg鍍層結(jié)合強度和耐蝕性的影響
韓國航空大學(xué)2018年在ISIJ International 發(fā)表的論文《Effect of a Zn Interlayer on the Adhesion Strength and Corrosion Resistance of Zn–Mg Coated TRIP Steel》。
使用電磁加熱沉積工藝（EMHD）在高強鋼上合成了Mg成分范圍為5 wt.％至15 wt.％的Zn-Mg涂層，研究了厚度為1μm的Zn中間層對涂層的成形性和附著力的影響。與不帶鋅中間層的Zn-Mg涂層相比，具有Zn中間層的Zn-Mg涂層在微觀結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和耐腐蝕性方面幾乎沒有差異。但是，鋅中間層有助于顯著改善Zn-Mg涂層的成形性和附著力。帶有鋅中間層的Zn-Mg涂層變形后的剝離面積大大減小，并且搭接剪切試驗的結(jié)果表明，帶有Zn中間層的Zn-Mg涂層的最大粘附強度大約是沒有Zn中間層的最大粘附強度的兩倍。 具有最大附著強度的Mg含量為15 wt.％的Zn / Zn-Mg涂層顯示出最佳的耐腐蝕性，經(jīng)測量，其略高于10 MPa，有待對具有更高M(jìn)g含量的Zn-Mg涂層進(jìn)行研究，使其附著強度必須超過20 MPa。
Electro-magnetic heating deposition （EMHD） 的沉積速率為1μm/min，是傳統(tǒng)濺射速率的15倍。中間鋅層厚1μm，Zn-Mg層厚2μm。
1. 微觀組織結(jié)構(gòu)
Zn-5wt.％的Mg涂層呈現(xiàn)出多孔微結(jié)構(gòu)，而Zn-10wt.％的Mg涂層顯示出柱狀結(jié)構(gòu)。具有15 wt.％的高鎂含量的Zn-Mg涂層顯示出無特征的結(jié)構(gòu)，該無特征的微結(jié)構(gòu)被確定為非晶結(jié)構(gòu)。
在Zn-5 wt.％Mg涂層的XRD結(jié)果中，可以清楚地觀察到Zn相的峰，而由于Mg含量低，未檢測到其他相，表明為（Zn）固溶體。在Zn-10wt.％Mg涂層中，觀察到來自金屬間相如Mg2Zn11和MgZn2的峰。然而，Zn-15wt.％的Mg涂層的XRD圖譜表明涂層的晶體結(jié)構(gòu)從晶體變?yōu)榉蔷?。先前已?jīng)有文獻(xiàn)報道了高鎂含量的鋅鎂鍍層中無定形相的形成。在Mg含量為0-15wt％的鎂鋅雙元系統(tǒng)中，各種金屬間相（如Mg2Zn11和MgZn2）會成為平衡相。。但是，在PVD工藝中，Mg在（Zn）中的固溶度以非常高的冷卻速率（約1012 K/s）得以擴展。Dai 等人還報道了當(dāng)Mg含量超過15 wt.％時，由于Mg和Zn原子之間原子尺寸的差異，（Zn）的晶體結(jié)構(gòu)能夠轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。如圖3（b）所示，在所有帶有Zn夾層的Zn-Mg涂層中，出現(xiàn)Zn峰的強度，這是由于結(jié)晶Zn夾層的影響。在使用Zn / Zn-10 wt.％的Mg涂層的情況下，存在與Zn-10 wt.％Mg涂層相同的Zn-Mg合金金屬間峰，例如Mg2Zn11（210），（222），（321）， （410），（411）和MgZn2（112），（104）。在Zn / Zn-15wt.％的Mg涂層中，由于Zn-15wt.％的Mg涂層的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，僅觀察到來自Zn中間層的峰。除了由于Zn中間層而出現(xiàn)的Zn峰，插入Zn中間層不會帶來其他明顯差異。
2. 耐蝕性
Zn-5wt.％的Mg涂層的腐蝕電流密度為6.96μA/ cm 2，并且隨著涂層的Mg含量增加至15wt.％，腐蝕電流密度降低至1.49μA/ cm 2。Zn-5％Mg涂層的腐蝕電位為-1.33VSCE，隨著Mg含量的增加，腐蝕電位也增加至-0.76VSCE。鎂含量增加的鋅鎂涂層變得更加穩(wěn)定，腐蝕速率降低。這些結(jié)果證實了先前報道的結(jié)果，即隨著涂層中Mg含量的增加，Zn–Mg涂層的耐蝕性增加，這可能歸因于涂層的微觀結(jié)構(gòu)從多孔結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅軣o特征的無定形結(jié)構(gòu)。Zn-Mg涂層中耐蝕性隨Mg含量的增加可以用致密的微觀結(jié)構(gòu)和金屬間相來解釋，如圖2和3所示。據(jù)報道，與純Zn固溶體相相比，單一金屬間相Mg2Zn11和MgZn2改善了腐蝕性能，并且與Zn-5 wt％Mg相比，在Zn-10 wt％Mg涂層中的這些相改善了耐蝕性。由于涂層的微觀結(jié)構(gòu)是一個決定涂層腐蝕防護(hù)能力的參數(shù)，它比Zn-Mg涂層中的金屬間化合物更大，含15 wt.％Mg的Zn-Mg涂層具有無定形的顯微組織顯示出最佳的耐腐蝕性。圖4（b）顯示Zn / Zn-Mg涂層具有與Zn-Mg涂層相似的耐蝕性，因為它們具有相同的微觀結(jié)構(gòu)和金屬間相。Zn / Zn-Mg涂層的腐蝕電流密度從5.89μA/ cm2變?yōu)?.55μA/ cm2，當(dāng)Mg含量從5 wt.％增加到15 wt。時，腐蝕電位從-1.39 VSCE增加到-0.59 VSCE。％。在基材和Zn-Mg涂層之間插入Zn中間層并沒有顯示出對Zn-Mg涂層的耐腐蝕性的有害影響，但實際上，耐腐蝕性能略有提高，如表1所示，這可以歸因于Zn / Zn-Mg涂層中附加的相間邊界效應(yīng)（additional interphase boundary effect ）。
3. 結(jié)合強度
全文結(jié)論：Mg組成范圍從5 ％到15 ％的Zn-Mg涂層是通過EMHD工藝以1μ/ min的高沉積速率沉積的，并且在基底和基底之間沉積了厚度為1μm的Zn中間層。Zn-Mg涂層可改善涂層的可成形性和附著力。當(dāng)Zn–Mg涂層的Mg組成從5％增加到15％時，涂層的微觀結(jié)構(gòu)從多孔結(jié)構(gòu)變?yōu)闊o特征結(jié)構(gòu)，而晶體結(jié)構(gòu)從晶體變?yōu)榉蔷ЫY(jié)構(gòu)。Zn-Mg涂層的耐蝕性隨Mg含量的增加而增加。Zn / Zn-Mg涂層與Zn-Mg涂層具有相似的化學(xué)組成，晶體結(jié)構(gòu)和耐蝕性，即使在沉積Zn中間層時也是如此。附著力評估結(jié)果表明，Zn-Mg涂層的附著力和可成形性可通過Zn中間層的沉積得到大幅度改善，并且Zn / Zn-Mg涂層的最大附著力約為Zn-Mg的兩倍。搭接剪切試驗中的鎂涂層。然而，具有15％（重量）的Mg的Zn / Zn-Mg涂層的最大粘附強度顯示出最佳的耐腐蝕性，據(jù)測得略高于10 MPa，這遠(yuǎn)低于汽車應(yīng)用所需的粘附強度。根據(jù)先前報道的論文，通過傳統(tǒng)的純鋅電鍍鋅（EG）涂層和熱浸鍍鋅（GI）涂層在鋼上的搭接剪切試驗，其粘合強度顯示為約16至19 MPa.因此，需要進(jìn)行更多的研究為了在工業(yè)上通過EMH PVD工藝用Zn-Mg涂層代替EG和GI涂層，仍然需要增加含鎂量獲得超過20 MPa的Zn-Mg涂層的附著強度。