Si及退火处理对Fe-Mo合金组织形貌影响的分析

刘新

（湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412007）

Si及退火处理对Fe-Mo合金组织形貌影响的分析

刘新

（湖南工业大学 机械工程学院，湖南 株洲 412007）

借助SEM、EDS和XRD技术研究分析了Si及退火处理对Fe-Mo合金组织形貌的影响。结果表明：Si的加入可以细化晶粒，促进原子扩散和新化合物的生成；退火处理会引起晶粒粗大和强化相Laves相的析出。本文中的研究为寻找组织细小、热稳定性好的Fe基耐锌液腐蚀材料奠定了基础。

Fe-Mo合金；耐锌液腐蚀；Laves相

随着汽车工业的快速发展和汽车企业间竞争的激烈化，人们对汽车抵御外界环境破坏能力和汽车长期运行的可靠性、稳定性、耐腐蚀性以及汽车的整体外观性提出了更为苛刻的要求。汽车所受外界的三种损坏（事故、磨损和腐蚀）中，以腐蚀损坏最为普遍和严重。而利用热镀锌工艺在金属表面生成一层致密且耐腐蚀的镀锌层，已成为汽车行业有效避免汽车整车遭受外界电解质腐蚀的最经济和最有效的措施［1］。然而，在热浸镀锌工艺中，液态锌在熔融状态下对大多数的金属都具有很强的腐蚀性，不仅会损坏设备还会降低镀锌层的性能［2］。因此，发展良好的耐锌液腐蚀材料，提高热浸镀锌设备的使用寿命，改善镀锌层的性能，已成为目前热镀锌行业迫切需要解决的问题。

国内外不少学者对耐液锌腐蚀材料进行过较为系统的研究：Tsipas等人［3］研究了碳钢和高合金钢渗硼后在熔锌中的耐蚀性，表现出良好的性能；吴忠等人［4］早在70年代就发现Mo-30W合金具有良好的耐液锌腐蚀性，但在锌液中容易发生断裂；攸琦等人［5］对Mo-Co-B合金进行了研究，该合金耐蚀性较好，但仍属于脆性材料；曹晓明等人［6］利用粉末冶金方法制备了Fe-B金属间化合物，发现其具有良好的耐熔锌腐蚀能力；刘俊友等人［7］对Fe-Cr-Mn-Si四元合金进行了研究，并重点研究了Si含量的影响，总结了相关规律。目前国际上，实际热镀锌设备中沉没辊和稳定辊的材料以Co-Mo-Cr-Si系列高温合金为主，该合金基于Laves强化，以α-Fe为韧性相，表现出很好的抗高温氧化、高温强度，尤其是在较高温度下具有较好的热腐蚀能力［8-9］。但我国资源缺Co，而且Co的价格昂贵又是重要的战略贮备物资，因此以Fe代Co开发新型铁基合金并部分取代Co基合金将带来巨大经济效益。借鉴Co-Mo-Cr-Si系列高温合金强化机理，课题组尝试设计一种以Fe2Mo（Laves相）为强化相，α-Fe为韧性相的新型Fe基耐液锌腐蚀材料。根据相图计算结果预测，Ni、Cr、Mn、Cu、Al和Si等元素以及热处理工艺可能对合金的抗高温氧化、高温强度和耐蚀性产生较大的影响。

本文中通过研究Si元素和退火对富Fe区域内Fe-Mo合金显微组织形貌的影响，探索Si元素和退火对组织的影响规律，为确定Fe基耐液锌腐蚀材料的元素含量和热处理工艺提供实验依据。

1 实验

根据Fe-Mo二元相图（图1）［10］富Fe区的金属间化合物成分，设计了如表1所示的合金名义成分。实验采用纯度99.99%（质量百分比）的Fe粒、Mo片、Si粒作为原材料，用精度为0.1mg的光电天平称量原材料，在非自耗钨极磁控真空熔炼炉内反复熔炼5次，以获得组织均匀的合金铸锭。利用电火花线切割设备从铸锭心部切取具有规则形状的试样，将试样利用石英管真空密封后，放入箱式电阻炉中进行真空均匀化退火处理，均匀化退火温度为1 150℃，保温时间为9 h，随炉冷却。

铸态和退火后试样经过镶样、预磨、精磨和抛光后，采用成分为“CuSO4（4 g）+盐酸（100m l）+酒精（100 ml）”的腐蚀剂腐蚀10 s后，利用JSM-6360LV扫描电子显微镜（SEM）分析合金的微观组织；并用OXFORD INCA能谱仪（EDS）测定合金组成相的成分；用日本理学型号为Rigaku-IV的XRD衍射仪（Cu靶Kα射线，步长0.02°，电压40 kV，电流40mA）对细小铸态组织进行物相鉴定。

图1 Fe-Mo二元相图

表1 Fe-Mo-Si名义成分表（质量百分比） %

2 实验结果与分析

2.1 铸态及退火态组织形貌分析

如图2 a所示，在晶界位置，细长的针状组织将短小的针状组织分割开，而基体主要分布在晶内位置。Si元素的加入（含量1%）使合金铸态组织变得均匀而细小（图2 b），短小的针状组织规则交织排列在基体之上；当Si含量为2%时，基体上生成了大颗粒状组织，部分粒状组织聚集成长条状（图2 c），组织均匀性变差；Si含量达到3%后，基体被首尾相连的环状组织分割开，组织也呈现细长形貌（图2 d）。

退火处理后，合金中晶粒方向性强的组织均被破坏，呈现出粗大的组织形貌（图2 e～h）。铸态中的针状组织为不稳定的化合物，退火处理使组织形貌发生了转变，并可能生成了新的Fe-Mo金属间化合物；同时，Si元素的加入，使退火组织中相对粗大的相中间析出了细小的颗粒状组织。

通过分析合金铸态及退火态组织形貌图，可以明显发现：Si元素的加入在一定程度上细化了Fe-Mo金属间化合物的晶粒大小；退火处理后合金组织形貌发生了较大改变，普遍呈现粗大的组织形貌，并可能促进了新相的析出。

2.2 铸态及退火态组织成分分析

为了进一步分析Si元素和退火工艺对合金组织成分的影响，分别对铸态和退火态组织进行了XRD图谱和EDS能谱分析，其结果如图3和表2所示。根据合金成分1～3铸态组织XRD图谱，Fe3Mo在铸态组织中稳定存在，同时Si元素的加入还促进了高温相Fe63Mo37（Chi相）的析出。根据表2中成分点1和3的Fe、Mo和Si的EDS成分分析结果：Si元素同时固溶于基体α-Fe和Fe-Mo金属间化合物中，但Si元素分布于Chi相的量高于基体；当Si的含量小于3%时，Si元素的加入可以促进高温相Chi相在铸态中的析出。

图2 不同合金的铸态及退火态显微组织

图3 典型合金铸态及退火态XRD图谱

由图3中合金成分2和成分3的XRD图谱以及表2中列出的EDS点成分分析表，可以看出：合金经过退火处理后，均生成了α-Fe+Laves相的两相共存组织，图2中灰亮的为Fe2Mo（Laves相），而黑色组织为α-Fe基体；随着Si的加入，退火组织中会生成大量的小颗粒状产物，经XRD图谱分析，其结果仍显示为Laves组织；铸态下存在的Fe3Mo和Chi相经退火处理后已完全转化为Laves相；Si元素在Laves相中的分布较基体中高。

通过Matlab软件对图2所示的基体和Fe-Mo金属间化合物体积份数进行定量分析（表3）可知：铸态组织中基体的份额较多，Fe-Mo金属间化合物的份额较少，而退火处理后，Fe-Mo金属间化合物的量较多；并随着Si元素的加入，合金退火态中Fe-Mo二元化合物体积分数增加较明显，较不加Si元素的成分1合金有较大幅度的增加；但二元化合物退火态中含量与Si含量之间并无线性关系。

表2 典型显微组织EDS成分表

表3 组成相的体积分数

根据Fe-Mo二元相图，Fe3Mo为亚稳相，常温下不能稳定存在；Chi相为高温相，只在添加合金元素（如Ni和Cr）的Fe-Mo多元合金中生成［11］。Fe-Mo二元合金铸态组织中Fe3Mo相的出现，主要是因为熔炼过程中弧光放电局部温度极高，冷却时采用冷却水铜管冷却，冷却速度非常快，致使原子的扩散变得异常困难，从而阻碍了一些元素之间的化合反应，导致亚稳相在铸态组织中稳定存在。同样的现象，日本学者在对Fe-M-B（M=Mo，W）三元系的研发和西北工业大学在深过冷条件下组织组成物分析中也出现过［12-13］。而合金中Chi相的出现，其主要原因是Mo原子的扩散速度非常缓慢，添加的Si元素能促进Fe-Mo原子的结合，但快速的冷却速度仍无法让反应完全实现。

通过分析合金铸态和退火态组织成分和形貌，可以得出：Si元素的加入促使合金铸态组织成分发生了改变，由α-Fe+Fe3Mo转变为α-Fe+Fe3Mo+ Fe63Mo37（Chi相）；退火工艺使Fe-Mo金属间化合物发生了Fe3Mo和Chi相向Laves相的转变；Si元素在Fe-Mo二元化合物中的分布量较基体中多。

3 总结

本文中实验研究了不同含量Si及退火处理对Fe-Mo合金组织形貌的影响，得出如下结论：1）Si元素的加入，在铸态组织中起到了细化晶粒、提高组织均匀性的作用；2）退火处理会导致组织晶粒的粗化，并促使合金中强化相Laves的形成；3）Si元素和较快冷却速度能使亚稳相Fe3Mo在铸态中稳定存在。Fe-Mo-Si合金的耐液锌腐蚀性能、力学性能以及加工性能，Ni、Cr、Al及Cu等元素对Fe-Mo合金耐液锌腐蚀性能的影响等将在后续工作中逐一研究。

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Effectof Siand Annealing on Microstructure of Fe-Mo Alloys

Liu Xin
（SchoolofMechanical Engineering,Hunan University of Technology,Zhuzhou 412007,China）

Through the SEM,EDS and XRD technology,the effects of Si and annealing on themicrostructure of Fe-Mo alloyswere researched.The results show that the addition of Sican refine the grain, promote the diffusion ofatomicsand the formation of the new Fe-Mo compounds.The coarse grainsand precipitation of Laves phase are brought by annealing process.The research results lay the foundation for looking for the finemicrostructure,excellent thermal stability Fe based corrosion resistancematerials inmolten zinc.

Fe-Moalloy;corrosion resistance inmolten zinc;Lavesphase

TG174

：A

：1008-5483（2017）01-0077-04

2017-01-01

湖南省教育厅一般科研项目（14C0342）

刘新（1983-），女，湖南新邵人，硕士，从事新材料设计和材料成形原理的研究。E-mail：469058921@qq.com

10.3969/j.issn.1008-5483.2017.01.018