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原材料相关

排列3论坛:渗铝

发布时间:2019-02-21   来源:每天学点热处理   作者:曙光  

体彩排列3试机号 www.hab5.com.cn   电力、交通、通讯、桥梁、油田、海工平台、新能源等大量现代化设施和某些化工、食品装备都需要大量的优质钢结构件,这些构件需要长期服役,有的环境恶劣。因此,它们的长期抗大气腐蚀、抗氧化、抗高温、抗腐蚀性介质腐蚀的能力不可或缺。而钢铁材料的渗铝,就赋予了材料表面的上述性能要求,本文做简要介绍。

  渗铝,按照渗铝层组织结构,可分为热镀型渗铝和扩散型渗铝。热镀型渗铝即热浸镀铝,主要用于材料在600℃下服役时的防腐?;?。扩散型渗铝主要用于提高材料在高温条件下的耐腐蚀?;?。

  1  渗铝工艺

  1.1 热浸镀铝(也称热浸铝、热镀铝)

  1.1.1 工艺流程。

  将表面洁净的钢件浸入680℃-780℃的熔融铝或铝合金熔液中,即可获得热浸镀渗铝层。步骤为:脱脂→除锈→预处理→热浸镀铝。

  1.1.2 热浸镀铝层的形成以及影响因素。

  热浸镀铝层形成可以有以下三个步骤:

  1)洁净钢件浸入熔融的铝液,铝液在钢件表面被铝液浸润。

  2)钢件表面形成由铝铁金属间化合物组成的扩散层,扩散层由FeAl?(θ相)和Fe?Al5(η相)组成。

  3)工件从铝液提出来时,表面附着一层与铝液成分相同的镀层。

  热浸镀铝层便由扩散层和镀覆层形成。

  热浸镀铝层中外层的镀覆层厚度,与钢件从铝液中提出时的提出速度ν有关。提出速度在1cm/s以下时,提出速度越慢,镀覆层越厚,在1.0-1.5cm/s之间,镀覆层最??;随后,提出速度越快,镀覆层越厚。见图1。

图1  提出速度与热浸镀铝层厚度的关系

  扩散层的厚度与热浸镀温度、时间、铝液成分及钢件合金成分有关。一般温度高、时间长,扩散层厚。见图2。

图2  热浸镀铝温度和时间多扩散层厚度的影响

  a)时间的影响(铝液Al,700℃,低碳钢)

  b)热浸镀温度的影响(15s)

  1-纯Al液  2-Al+6%Si合金铝液

  铝液里,合金含量低于0.5%(wt)时,除Sn外,其余合金元素都降低扩散层厚度,而铝液中V>0.9%、Pb>1.9%、Ca>3.1%以后,都增加扩散层度。其他合金元素的增加,则不同程度减小扩散层厚度。详见图3。

图3  铝液中合金元素对扩层厚度的影响

  1.2 粉末渗铝

  粉末渗铝是扩散型渗铝的主要工艺之一。将钢件或高温合金与渗铝剂一同装箱密封,在800℃-950℃加热数小时,冷却后即可获得扩散型渗铝层。

  渗铝剂主要为  Al(或Al/Fe)+NH4Cl---Al2O3(填充剂)

  渗铝过程发生如下反应:

  NH4Cl=NH3↑+HCl↑

  6HCl+2Al=2AlCl3+3H2↑

  Fe+AlCl3=FeCl3+[Al]

  上述反应中,在钢件表面析出的[Al]活性原子渗入工件,形成完全由铝化合物组成的扩散型渗铝层。

  扩散型渗铝层厚度与温度、时间、渗剂成分、钢中碳及合金元素的含量有关。见图4、图5、图6。

图4  渗铝温度和时间与扩散层厚度的关系

图5   钢中含碳量对渗铝层厚度的影响

图6   钢件中合金元素含量对渗铝层厚度的影响

  渗剂中,NH4Cl含量对渗层厚度的影响是<8%时,随含量增大,渗层厚度增加;>12%时,随含量增加,渗层厚度减小。所以,NH4Cl含量一般选取在9-11%之间。

  1.3  其它渗铝工艺

  1)热浸镀扩散法。工件热浸镀后再在800℃-950℃的温度下进行扩散,使得镀铝层全部转变成铝铁化合物层,形成扩散型渗铝层。

  2)料浆法渗铝。将粉末状渗铝剂加粘结剂和水调成浆状,涂覆在钢件表面上,进行加热扩散渗铝

  3)电泳-扩散渗铝。利用电泳法将铝粉均匀涂覆在工件表面,然后加热扩散渗铝。加热温度低于500℃时,只能得到铝的烧结涂层,加热温度高于600℃时,便可形成扩散型渗铝层。

  4)热喷涂-扩散型渗铝。采用热喷涂或静电喷涂的方法,在工件表面上涂覆一层铝,再进行热扩散渗铝。

  2  渗铝层的性能

  2.1 热浸镀铝层的性能

  1)耐大气腐蚀性能。热浸镀铝钢材具有优异的耐大气腐蚀性能。表1,是热浸镀铝与热浸镀锌在不同地区、不同大气环境下的耐腐蚀对比结果。

  表1  几种大气环境下热浸镀铝与热浸镀锌的耐蚀性对比

  热浸镀铝在硫化物环境、普通水、海水中的耐腐蚀性能也优于热浸镀锌,参见图7及表2的对比结果。

图7   热浸镀铝与热浸镀锌在SO2气氛下的耐腐蚀性能对比

  实验条件:含SO2为0.04%的空气,

  流量20L/min,温度40℃,湿度95%

  表2  热浸镀铝与热浸镀锌在普通水和人

  造海水中腐蚀10个月的结果对比

  3)耐热性能。普通碳钢热浸镀铝后,在空气中的耐热性能与Cr13相当,在SO2、H2S等气氛中的高温耐蚀性优于18-8型不锈钢(例如304)。

  2.2 扩散型渗铝层的性能

  1)力学性能。钢件经渗铝后,抗高温蠕变性能大幅提高。例如在应力值1.4MPa,760℃的实验条件下,未渗铝试样断裂时间为59h,渗铝试样为995h。

  2)高温下的耐腐蚀性能。扩散型渗铝主要用于钢铁材料及高温合金在高温空气、H2S、SO2、熔盐等条件下的耐蚀性能。

  试样在高温空气中耐蚀性对比数据如下:

  低碳钢  试样失重

  590℃×1000h,未渗铝0.41mg,渗铝0.043mg。

  800℃×100h,未渗铝8.59mg。

  800℃×1000h,渗铝0.048mg。

  900℃×1000h,渗铝0.1475mg。

  含Cr5%,含Mo0.5%的钢  试样失重

  650℃×1000h,未渗铝0.366mg,渗铝0.008mg。

  18Cr-8Ni型不锈钢  试样失重

  650℃×1000h,未渗铝0.011mg,渗铝0.006mg。

  800℃×1000h,渗铝0.033mg。

  900℃×200h,未渗铝0.524mg。

  900℃×1000h,渗铝0.0444mg。

  试样在高温含H2S气体中耐蚀性对比数据如下:

  低碳钢  试样腐蚀量

  含6%H2S气体,480℃×24h,未渗铝1.02mg/cm²,渗铝0.035mg/cm²。

  100%H2S气体,650℃×24h,未渗铝1.735mg/cm²,渗铝0.6mg/cm²。

  304不锈钢(18Cr-8Ni型)  试样腐蚀量

  含6%H2S气体,480℃×24h,未渗铝0.29mg/cm²,渗铝0.12mg/cm²。

  100%H2S气体,650℃×24h,未渗试36.5mg/cm²,渗铝0.1mg/cm²。

  3  渗铝的应用

  热浸镀铝生产效率高,适用于处理形状简单的管材、丝材、板材、带材、型材。这类工件如果在600℃以上使用时,应该采用热浸镀+扩散法获得扩散型渗铝层。

  固体粉末法生产效率低,操作麻烦,但渗层比热浸镀+扩散型易于控制。一般用于渗层要求高,形状复杂,特别是有盲孔、螺纹的工件。

  渗铝广泛用于以下领域:

  高速公路护栏、电力输变电铁塔、通讯基站铁塔、桥梁钢结构、海上钻井塔架、自来水管、架空通讯电缆、钢芯铝绞线的芯线、船用钢丝绳、编制用钢丝、瓦楞板,化工生产用醋酸、柠檬酸、丙酸、苯甲酸等有机酸的输送管道,煤气及含硫气体输送管道等。以上用热浸镀铝法渗铝,可以耐各种大气、自来水、江河水、海水的腐蚀以及耐有机酸、煤气、含硫气体腐蚀。

  汽车消音器、排气管、食品烤箱、粮食烘干设备烟囱等用板材、型材,用热浸镀铝法渗铝,可以耐受低于600℃的高温空气的腐蚀和氧化。

  加热炉炉管、退火钢包、各类热交换器、炼钢炉吹氧管、硫酸转化器等,用热浸镀+扩散法或粉末法渗铝,用于高于600℃条件下的抗高温氧化,抗高温含硫气体的腐蚀。

  燃气轮机叶片、炉用结构件、高温紧固件、燃气、燃油烧嘴等工件,使用固体粉末或料浆法进行扩散法渗铝,可以使这类工件抗高温氧化和热腐蚀。

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