渗铝

化学热处理工艺

渗铝是一种或多种金属原子渗入金属工件表层内的化学热处理工艺。将金属工件放在含有渗入金属元素的渗剂中，加热到一定温度，保持适当时间后，渗剂热分解所产生的渗入金属元素的活性原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。与渗非金属相比，金属元素的原子半径大，不易渗入，渗层浅，一般须在较高温度下进行扩散。金属元素渗入以后形成的化合物或钝化膜，具有较高的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，能分别适应不同的环境介质。

渗铝简介

碳钢管束经渗铝处理后，其耐高温硫腐蚀的能力大为提高。目前渗铝技术有：粉末包装渗铝工艺、气相渗铝工艺、料浆法渗铝工艺等。为了获得更好的渗层质量，在渗铝剂中添加了各种耐蚀元素，如铬、硅、铂以及稀土元素等，改进后的渗层，除具有良好的抗高温氧化性能外，还有优良的抗热腐蚀性能。

渗铝技术在换热设备上使用，主要在高温油料的热交换器上获得成功，可以大大提高在高温硫腐蚀条件下的碳钢管束的使用寿命。渗铝管束不宜用于循环水环境及冷凝水较多的环境下，它会因为其本身的致密性问题，会导致碳钢管束产生严重的局部腐蚀。

钢铁材料和高温合金渗铝可提高耐腐蚀性能。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℃以下服役时的腐蚀防护。扩散型渗铝主要用于提高材料在高温条件下的耐腐蚀性能。

渗铝工艺

（1）热浸镀铝（也称热浸铝、热镀铝）

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。工艺流程为：工件→脱脂→去锈→预处理→热浸镀铝。

②热浸镀铝层的形成以及影响因素

热浸镀铝层的形成可分为以下三个步骤。

a．表面洁净的钢铁浸入熔融的铝液，铝液在钢铁表面浸润。

b．形成由铝铁金属间化合物组成的扩散层，扩散层由FeAl3（θ相）和Fe2Al5（η相）组成。

c．工件从铝液中提升出来时表面附着一层与铝液成分相同的镀层。

热浸镀铝层便是由过程b形成的扩散层和过程c形成的镀铝层组成。

（2）粉末渗铝粉末渗铝是扩散型渗铝的主要工艺之一。将钢铁或高温合金与渗铝剂一同装箱并密封，在800～950℃加热扩散数小时，冷却后可获得扩散型渗铝层。

渗铝剂主要为AI（或Al/Fe）-NH4Cl-Al2 O 3型，在渗铝过程中发生如下反应：

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

上述反应中，在钢铁表面析出的[Al]活性原子渗入工件，形成完全由铝铁化合物组成的渗铝层。

（3）其他渗铝工艺

①热镀扩散法将钢铁工件热浸镀铝后再在800～950℃的温度下进行扩散，使得热镀铝表面的镀铝层全部转变成铝铁化合物层，形成扩散型渗铝层。

②料浆法渗铝将固体渗铝剂加粘接剂和水调成料浆，涂覆在工件表面，加热扩散渗铝。

③电泳一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。加热温度过低于500%时，只能形成铝烧结涂层。加热温度高于600℃时，可形成扩散型渗铝层。

④热喷涂-扩散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。

性能

（1）热浸镀铝层的性能

①耐大气腐蚀性能（见表1-1）。

②耐热性能普通碳钢热浸镀铝后，在空气中的耐热性与Crl3型不锈钢相当，在SO2、H2S等气氛中的高温耐蚀性能甚至优于18-8型不锈钢。

（2）扩散型渗铝层的性能

①力学性能钢件经渗铝后，抗高温蠕变性能有所提高。试验结果见表1-2。

②高温下的耐腐蚀性能扩散型渗铝主要用于提高钢铁材料及高温合金在高温空气、H2S、SO2、熔盐等环境下的耐腐蚀性能。其性能见表1-3～表1-5。

注：表中数据为失重，单位mg/cm2。

共渗

（1）铝铬共渗（或铬铝共渗）铝铬共渗可采用多种工艺方法，其工艺见表1-6。

铬铝共渗主要用于提高钢铁和耐热合金的抗高温氧化和热腐蚀性能。如图《几种铬铝共渗层在900℃下的抗高温氧化性能对比》所示，渗层的铬、铝含量不同，耐高温氧化性能也有明显的差异。

（2）铬铝硅共渗铬铝硅三元共渗一般采用粉末法。铬、铝、硅供剂有两种系列，即Al-Cr2O3-SiO2和Al（或AIFe）-Cr（或SiC）。填充剂仍用Al2O3、SiC也可兼作填充剂。活化剂采用NH4Cl或AlF3。

铬铝硅三元共渗可提高钢铁和耐热合金的抗高温氧化、热疲劳性能。

（3）镀镍渗铝及镀镍铝铬共渗 527铁合金电镀镍后，在750℃×6～8h下进行粉末渗铝或铝铬共渗，镀镍渗铝层厚度为40～70/μm，主要为FeAl3、Fe2Al5和Ni2Al3；镀镍铝铬共渗层厚度为25～35μm。两层渗层都具有良好的抗高温氧化性能，与单一的渗铝抗高温氧化性能对比见下表。

现代渗铝方法

气体渗铝

气体渗铝是在严格密封的贯通式炉或井式炉中进行。渗铝气氛为铝的卤化物，其反应机理与固体粉末法相似。气氛可以在渗铝炉外预先制取，然后再通入炉内，亦可在渗铝炉内直接制备。

渗铝剂采用块状铝铁合金，尺寸为10—30mm。渗铝剂的活化处理如下：将铝铁块装入容器内，加入0.5%～1%氟化氢铵（NH4HF2），放水漫过其表面，在低于300℃炉内把水煮干。在此过程中，NH4HF2加入后，分解成NH4F和HF，氢氟酸与铝铁合金发生反应：

2Fe2Al5+42HF—→4FeF3+10AlF3+21H2↑

经活化处理后的铝铁块呈黄褐色，表面附着NH4F、FeF3、AlF3的混合物。将活化处理后的渗铝剂放入鸟笼式夹具中。炉内保护气体可用氢气或氩气，但氢气易爆，故常采用价格较贵的氩气。

生产实践表明，镍基合金经950℃、2h气体渗铝，可获得厚度为20μm的渗层。与固体渗铝比较，气体渗铝能获得质量更稳定的渗层，生产效率也高些。

喷镀渗铝

喷镀渗铝是先将铝喷镀在经过彻底清理的和表面粗糙的工件上，构成黏着牢固的铝覆盖层，再进行加热扩散，使铝扩散到工件表层内而形成铁铝合金层。这种方法主要用于钢铁制件的防腐蚀。喷镀铝常常采用火焰喷涂、等离子喷涂等方法。喷铝后的工件通常要在800—1000℃温度下进行5h的扩散退火，以使铝层和基体发生扩散发应，形成铁铝合金层。有时，为了美化工件的外观，在喷—渗后还需用金属刷进行表面清理。

喷镀渗铝的特点是工艺和设备比较简单，基本上不受设备、工件的形状限制，适于覆盖大型构件或工件，尤其适用于工件的大批量生产或有大面积的单件生产。

电泳渗铝

电泳渗铝就是先用电泳法将铝粉牢固而均匀地沉积在工件表面上，然后再进行加热扩散，使铝渗人工件表面形成合金层。

电泳渗铝的工艺流程如下：

除油→吹干→电泳沉积铝→吹干→热扩散处理→表面处理。

经过电泳沉积后的工件，需再经过加热扩散处理，将工件表面铝的机械结合变为冶金结合。扩散处理可在井式炉中进行，罐底放置经过活化处理的铁铝合金，通过氢气或氩气保护作用，经950℃、1.5h加热扩散后，锻造镍基合金可获得约25μm的扩散渗层。当提高扩散温度至1000℃时，1.5h所获得的渗层可大于30μm；而850℃，1.5h则可获得15—20μm厚的扩散层。

电解渗铝

电解法渗铝是在坩埚（墨或金属）中盛金属铝（也可用铝屑），上面放1：1（物质的量比）的NaCl+KCl混合盐，另加少量冰晶石。坩埚和铝接为阳极，工件接为阴极。在惰性气氛的保护下加热使盐熔化，然后通入电流，使铝离子向带有异种电荷的工件表面运动，在工件表面放电、沉积，并立即浸入工件内形成表面合金层。由于电解渗铝时是采用熔盐作为加热介质，因此这种方法又叫做熔盐电解渗铝。

渗铝层的厚度主要取决于加热温度、电解时间和电流密度。渗铝层的厚度随渗铝时间的增大而增大。当温度一定时，渗层厚度与时间呈抛物线的关系。此外，电流密度越高，渗层厚度越大。

与热浸渗铝法相比较，熔盐电解法具有如下特点：

（1）工件受到阴极电流的保护作用，固不被熔盐腐蚀；

（2）渗铝层均匀，耗铝量少；

（3）处理温度范围宽，可省去热浸铝后的扩散退火工序。

应用

渗铝主要用于化工、冶金、建筑部门使用的管道、容器，能节约大量不锈钢和耐热钢。在机械制造部门，渗铝的应用范围也不断扩大。低碳钢工件渗铝后可在780℃下长期工作。在900～980℃环境中，渗铝件的寿命比未渗铝件显著提高。18-8型不锈钢和铬不锈钢渗铝后，在594℃硫化氢气氛中，抗腐蚀能力比未渗铝的大大增加。760℃时在含铅燃料燃烧产物的腐蚀下工作的汽车排汽阀，或是在900℃下工作的燃气轮机叶片，渗铝后的腐蚀抗力都有明显增加。

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