滲鋁

滲鋁是一種或多種金屬原子滲入金屬工件表層內的化學熱處理工藝。將金屬工件放在含有滲入金屬元素的滲劑中，加熱到一定溫度，保持適當時間後，滲劑熱分解所產生的滲入金屬元素的活性原子便被吸附到工件表面，並擴散進入工件表層，從而改變工件表層的化學成分、組織和性能。與滲非金屬相比，金屬元素的原子半徑大，不易滲入，滲層淺，一般須在較高溫度下進行擴散。金屬元素滲入以後形成的化合物或鈍化膜，具有較高的抗高溫氧化能力和抗腐蝕能力，能分別適應不同的環境介質。

基本介紹

• 中文名：滲鋁
• 外文名：alumetizing
• 作用：提高材料的耐腐蝕、耐高溫等性能
• 定義：化學熱處理工藝
• 方法：氣體、電泳、電解滲鋁等方法
• 套用：化工、冶金、建築等

滲鋁簡介

碳鋼管束經滲鋁處理後，其耐高溫硫腐蝕的能力大為提高。目前滲鋁技術有：粉末包裝滲鋁工藝、氣相滲鋁工藝、料漿法滲鋁工藝等。為了獲得更好的滲層質量，在滲鋁劑中添加了各種耐蝕元素，如鉻、矽、鉑以及稀土元素等，改進後的滲層，除具有良好的抗高溫氧化性能外，還有優良的抗熱腐蝕性能。

滲鋁技術在換熱設備上使用，主要在高溫油料的熱交換器上獲得成功，可以大大提高在高溫硫腐蝕條件下的碳鋼管束的使用壽命。滲鋁管束不宜用於循環水環境及冷凝水較多的環境下，它會因為其本身的緻密性問題，會導致碳鋼管束產生嚴重的局部腐蝕。

鋼鐵材料和高溫合金滲鋁可提高耐腐蝕性能。按照滲鋁層組織結構，可分為熱鍍型滲鋁和擴散型滲鋁。熱鍍型滲鋁（即熱浸鍍鋁）主要用於材料在600℃以下服役時的腐蝕防護。擴散型滲鋁主要用於提高材料在高溫條件下的耐腐蝕性能。

滲鋁工藝

（1）熱浸鍍鋁（也稱熱浸鋁、熱鍍鋁）

①工藝流程將表面潔淨的鋼件浸入680～780℃的熔融鋁或鋁合金熔液中，即可獲得熱浸鍍滲鋁層。工藝流程為：工件→脫脂→去銹→預處理→熱浸鍍鋁。

②熱浸鍍鋁層的形成以及影響因素

熱浸鍍鋁層的形成可分為以下三個步驟。

a．表面潔淨的鋼鐵浸入熔融的鋁液，鋁液在鋼鐵表面浸潤。

b．形成由鋁鐵金屬間化合物組成的擴散層，擴散層由FeAl₃（θ相）和Fe₂Al₅（η相）組成。

c．工件從鋁液中提升出來時表面附著一層與鋁液成分相同的鍍層。

熱浸鍍鋁層便是由過程b形成的擴散層和過程c形成的鍍鋁層組成。

（2）粉末滲鋁 粉末滲鋁是擴散型滲鋁的主要工藝之一。將鋼鐵或高溫合金與滲鋁劑一同裝箱並密封，在800～950℃加熱擴散數小時，冷卻後可獲得擴散型滲鋁層。

滲鋁劑主要為AI（或Al/Fe）-NH₄Cl-Al₂O₃型，在滲鋁過程中發生如下反應：

NH₄Cl—→NH₃↑+HCl↑；6HCl+2Al—→2AlCl₃+3H₂↑；Fe+AlCl₃—→FeCl₃+[Al]

上述反應中，在鋼鐵表面析出的[Al]活性原子滲入工件，形成完全由鋁鐵化合物組成的滲鋁層。

（3）其他滲鋁工藝

①熱鍍擴散法將鋼鐵工件熱浸鍍鋁後再在800～950℃的溫度下進行擴散，使得熱鍍鋁表面的鍍鋁層全部轉變成鋁鐵化合物層，形成擴散型滲鋁層。

②料漿法滲鋁 將固體滲鋁劑加粘接劑和水調成料漿，塗覆在工件表面，加熱擴散滲鋁。

③電泳一擴散滲鋁利用電泳法將鋁粉均勻塗覆在工件表面，然後加熱擴散滲鋁。加熱溫度過低於500%時，只能形成鋁燒結塗層。加熱溫度高於600℃時，可形成擴散型滲鋁層。

④熱噴塗-擴散滲鋁 採用熱噴塗或靜電噴塗的方法，在工件表面上塗覆一層鋁，再進行熱擴散滲鋁。

滲鋁層的性能

（1）熱浸鍍鋁層的性能

①耐大氣腐蝕性能（見表1-1）。

表1-1熱浸鍍鋁與熱浸鍍鋅在普通水和人造海水中腐蝕10個月的結果比較

水質	Ⅰ一型鍍鋁鋼板	Ⅱ一型鍍鋁鋼板	鍍鋅鋼板
普通水	無變化	幾乎無變化	7個月後發生灰色銹點
人造海水（含8%NaCl）	無變化	稍變為灰白色	5個月後發生灰色銹點

②耐熱性能 普通碳鋼熱浸鍍鋁後，在空氣中的耐熱性與Crl3型不鏽鋼相當，在SO₂、H₂S等氣氛中的高溫耐蝕性能甚至優於18-8型不鏽鋼。

（2）擴散型滲鋁層的性能

①力學性能 鋼件經滲鋁後，抗高溫蠕變性能有所提高。試驗結果見表1-2。

表1-2滲鋁鋼與未滲鋁鋼抗高溫蠕變性能對比

項 目	試樣斷裂時間/h	試驗條件	項 目	試樣斷裂時間/h	試驗條件
未滲鋁	59	溫度760℃	滲鋁	995	載荷1400N/cm^2

②高溫下的耐腐蝕性能 擴散型滲鋁主要用於提高鋼鐵材料及高溫合金在高溫空氣、H₂S、SO₂、熔鹽等環境下的耐腐蝕性能。其性能見表1-3～表1-5。

表1-3不同材料經滲鋁與未滲鋁抗高溫氧化性能對比

材料	590℃×1000h		650℃×1000h		800℃×1000h		900℃×1000h
	未滲鋁	滲鋁	未滲鋁	滲鋁	未滲鋁	滲鋁	未滲鋁	滲鋁
低碳鋼	0.41	0.043	——	——	100h 8.59	0.048	——	0.1475
1.0Mo	0.353	——	0.836	——	——	——	——	——
5.0Cr～0.5Mn	0.163	——	0.366	0.008	——	——	——	——
18Cr～8Ni	——	——	0.011	0.006	——	0.033	200h 0.5240	0.0444

註：表中數據為失重，單位mg/cm²。

表1-4滲鋁與未滲鋁鋼抗高溫H2S腐蝕性能對比

材 料	試驗條件	腐蝕量/（mg/cm^2）
		未滲鋁	滲鋁
低碳鋼	ω（H2S）6% 480℃，24h	1.02	0.036
	ω（H2S）100% 650℃，24h	1.735	0.6
18Cr-8Ni	ω（H2S）6%480℃，24h	0.029	0.12
	ω（H2S）100%650℃，24h	36.5	0.1

表1-5鎳基GHl35合金滲鋁與未滲鋁耐熔鹽熱腐蝕性能對比

腐蝕介質	溫度/℃	時間/h	腐蝕失重/（g/m^2）
			未滲鋁	滲鋁
ω（NaCl）25%+ω（Na2SO4）75%	750	3	24.1	5.5
			43.1	5.0
			75.7	15.2

以滲鋁為主的共滲

（1）鋁鉻共滲（或鉻鋁共滲)）鋁鉻共滲可採用多種工藝方法，其工藝見表1-6。

表1-6 鋁鉻共滲

滲劑成分（質量分數）	鋼材	工藝參數	滲層厚度/mm	滲層元素含量/%
				Cr	Al
AIFe粉75%，CrFe粉25%，另加NH4CI 1.5%	10鋼	1025℃×10h	0.53	6	37
AlFe粉50%，CrFe粉50%，另加NH4Cl 1.5%	10鋼	1025℃×10h	0.37	10	22
AIFe粉20%，CrFe粉80%，另加NH4CI 1.5%	10鋼	1025℃×10h	0.23	42	3

鉻鋁共滲主要用於提高鋼鐵和耐熱合金的抗高溫氧化和熱腐蝕性能。右圖表明，滲層的鉻、鋁含量不同，耐高溫氧化性能也有明顯的差異。

幾種鉻鋁共滲層在900℃下的抗高溫氧化性能對比

（2）鉻鋁矽共滲鉻鋁矽三元共滲一般採用粉末法。鉻、鋁、矽供劑有兩種系列，即Al-Cr₂O₃-SiO₂和Al（或AIFe）-Cr（或SiC）。填充劑仍用Al₂O₃、SiC也可兼作填充劑。活化劑採用NH₄Cl或AlF₃。

鉻鋁矽三元共滲可提高鋼鐵和耐熱合金的抗高溫氧化、熱疲勞性能。

（3）鍍鎳滲鋁及鍍鎳鋁鉻共滲 527鐵合金電鍍鎳後，在750℃×6～8h下進行粉末滲鋁或鋁鉻共滲，鍍鎳滲鋁層厚度為40～70/μm，主要為FeAl₃、Fe₂Al₅和Ni₂Al₃；鍍鎳鋁鉻共滲層厚度為25～35μm。兩層滲層都具有良好的抗高溫氧化性能，與單一的滲鋁抗高溫氧化性能對比見下表。

527合金幾種滲層在800℃下的高溫氧化性能對比

處理工藝	氧化增重（g/cm^2）		處理工藝	氧化增重（g/cm）
	100h	200h		100h	200h
未處理	37.8	58.0	鍍鎳+滲鋁	1.9	4.2
滲鋁	5.4	7.9	鍍鎳+鋁鉻共滲	2.8	9.7

現代滲鋁方法

氣體滲鋁

氣體滲鋁是在嚴格密封的貫通式爐或井式爐中進行。滲鋁氣氛為鋁的鹵化物，其反應機理與固體粉末法相似。氣氛可以在滲鋁爐外預先製取，然後再通人爐內，亦可在滲鋁爐內直接製備。

滲鋁劑採用塊狀鋁鐵合金，尺寸為10—30mm。滲鋁劑的活化處理如下：將鋁鐵塊裝入容器內，加入0.5%～1%氟化氫銨（NH₄HF₂），放水漫過其表面，在低於300℃爐內把水煮乾。在此過程中，NH₄HF₂加入後，分解成NH₄F和HF，氫氟酸與鋁鐵合金髮生反應：

2Fe₂Al₅+42HF—→4FeF₃+10AlF₃+21H₂↑

經活化處理後的鋁鐵塊呈黃褐色，表面附著NH₄F、FeF₃、AlF₃的混合物。將活化處理後的滲鋁劑放人鳥籠式夾具中。爐內保護氣體可用氫氣或氬氣，但氫氣易爆，故常採用價格較貴的氬氣。

生產實踐表明，鎳基合金經950℃、2h氣體滲鋁，可獲得厚度為20μm的滲層。與固體滲鋁比較，氣體滲鋁能獲得質量更穩定的滲層，生產效率也高些。

噴鍍滲鋁

噴鍍滲鋁是先將鋁噴鍍在經過徹底清理的和表面粗糙的工件上，構成黏著牢固的鋁覆蓋層，再進行加熱擴散，使鋁擴散到工件表層內而形成鐵鋁合金層。這種方法主要用於鋼鐵製件的防腐蝕。噴鍍鋁常常採用火焰噴塗、等離子噴塗等方法。噴鋁後的工件通常要在800—1000℃溫度下進行5h的擴散退火，以使鋁層和基體發生擴散發應，形成鐵鋁合金層。有時，為了美化工件的外觀，在噴—滲後還需用金屬刷進行表面清理。

噴鍍滲鋁的特點是工藝和設備比較簡單，基本上不受設備、工件的形狀限制，適於覆蓋大型構件或工件，尤其適用於工件的大批量生產或有大面積的單件生產。

電泳滲鋁

電泳滲鋁就是先用電泳法將鋁粉牢固而均勻地沉積在工件表面上，然後再進行加熱擴散，使鋁滲人工件表面形成合金層。

電泳滲鋁的工藝流程如下：

除油→吹乾→電泳沉積鋁→吹乾→熱擴散處理→表面處理。

經過電泳沉積後的工件，需再經過加熱擴散處理，將工件表面鋁的機械結合變為冶金結合。擴散處理可在井式爐中進行，罐底放置經過活化處理的鐵鋁合金，通過氫氣或氬氣保護作用，經950℃、1.5h加熱擴散後，鍛造鎳基合金可獲得約25μm的擴散滲層。當提高擴散溫度至1000℃時，1.5h所獲得的滲層可大於30μm；而850℃，1.5h則可獲得15—20μm厚的擴散層。

電解滲鋁

電解法滲鋁是在坩堝（墨或金屬）中盛金屬鋁（也可用鋁屑），上面放1：1（物質的量比）的NaCl+KCl混合鹽，另加少量冰晶石。坩堝和鋁接為陽極，工件接為陰極。在惰性氣氛的保護下加熱使鹽熔化，然後通人電流，使鋁離子向帶有異種電荷的工件表面運動，在工件表面放電、沉積，並立即浸入工件內形成表面合金層。由於電解滲鋁時是釆用熔鹽作為加熱介質，因此這種方法又叫做熔鹽電解滲鋁。

滲鋁層的厚度主要取決於加熱溫度、電解時間和電流密度。滲鋁層的厚度隨滲鋁時間的增大而增大。當溫度一定時，滲層厚度與時間呈拋物線的關係。此外，電流密度越高，滲層厚度越大。

與熱浸滲鋁法相比較，熔鹽電解法具有如下特點：

（1）工件受到陰極電流的保護作用，固不被熔鹽腐蝕；

（2）滲鋁層均勻，耗鋁量少；

（3）處理溫度範圍寬，可省去熱浸鋁後的擴散退火工序。

套用

滲鋁主要用於化工、冶金、建築部門使用的管道、容器，能節約大量不鏽鋼和耐熱鋼。在機械製造部門，滲鋁的套用範圍也不斷擴大。低碳鋼工件滲鋁後可在780℃下長期工作。在900～980℃環境中，滲鋁件的壽命比未滲鋁件顯著提高。18-8型不鏽鋼和鉻不鏽鋼滲鋁後，在594℃硫化氫氣氛中，抗腐蝕能力比未滲鋁的大大增加。760℃ 時在含鉛燃料燃燒產物的腐蝕下工作的汽車排汽閥，或是在900℃下工作的燃氣輪機葉片，滲鋁後的腐蝕抗力都有明顯增加。