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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，加熱到一定温度，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，一般須在較高温度下進行擴散。金屬元素滲入以後形成的化合物或鈍化膜，具有較高的抗高温氧化能力和抗腐蝕能力，能分別適應不同的環境介質。

中文名: 滲鋁
外文名: alumetizing
作用: 提高材料的耐腐蝕、耐高温等性能

定義: 化學熱處理工藝
方法: 氣體、電泳、電解滲鋁等方法
應用: 化工、冶金、建築等

滲鋁滲鋁簡介

碳鋼管束經滲鋁處理後，其耐高温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、硅、鉑以及稀土元素等，改進後的滲層，除具有良好的抗高温氧化性能外，還有優良的抗熱腐蝕性能。

滲鋁技術在換熱設備上使用，主要在高温油料的熱交換器上獲得成功，可以大大提高在高温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。

鋼鐵材料和高温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温條件下的耐腐蝕性能。^[1]

滲鋁滲鋁工藝

（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→脱脂→去鏽→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着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。將鋼鐵或高温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℃的温度下進行擴散，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。加熱温度過低於500%時，只能形成鋁燒結塗層。加熱温度高於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。^[2]

滲鋁性能

（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個月後發生灰色鏽點
人造海水（含8%NaCl）	無變化	稍變為灰白色	5個月後發生灰色鏽點

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等氣氛中的高温耐蝕性能甚至優於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，抗高温蠕變性能有所提高。試驗結果見表1-2。

表1-2滲鋁鋼與未滲鋁鋼抗高温蠕變性能對比
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	温度760℃	滲鋁	995	載荷1400N/cm²

②高温下的耐腐蝕性能擴散型滲鋁主要用於提高鋼鐵材料及高温合金在高温空氣、H₂S、SO₂、熔鹽等環境下的耐腐蝕性能。其性能見表1-3～表1-5。^[2]

表1-3不同材料經滲鋁與未滲鋁抗高温氧化性能對比
材料	590℃×1000h		650℃×1000h		800℃×1000h		900℃×1000h
材料	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

注：表中數據為失重，單位mg/cm²。

表1-4滲鋁與未滲鋁鋼抗高温H2S腐蝕性能對比
材料	試驗條件	腐蝕量/（mg/cm²）
材料	試驗條件	未滲鋁	滲鋁
低碳鋼	ω（H₂S）6% 480℃，24h	1.02	0.036
低碳鋼	ω（H₂S）100% 650℃，24h	1.735	0.6
18Cr-8Ni	ω（H₂S）6%480℃，24h	0.029	0.12
18Cr-8Ni	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	温度/℃	時間/h	腐蝕失重/（g/m²）
			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

滲鋁共滲

（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/%
滲劑成分（質量分數）	鋼材	工藝參數	滲層厚度/mm	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

幾種鉻鋁共滲層在900℃下的抗高温氧化性能對比

鉻鋁共滲主要用於提高鋼鐵和耐熱合金的抗高温氧化和熱腐蝕性能。如圖《幾種鉻鋁共滲層在900℃下的抗高温氧化性能對比》所示，滲層的鉻、鋁含量不同，耐高温氧化性能也有明顯的差異。

（2）鉻鋁硅共滲鉻鋁硅三元共滲一般採用粉末法。鉻、鋁、硅供劑有兩種系列，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。

鉻鋁硅三元共滲可提高鋼鐵和耐熱合金的抗高温氧化、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温氧化性能，與單一的滲鋁抗高温氧化性能對比見下表。^[2]

527合金幾種滲層在800℃下的高温氧化性能對比
處理工藝	氧化增重（g/cm²）		處理工藝	氧化增重（g/cm）
處理工藝	100h	200h	處理工藝	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

滲鋁現代滲鋁方法

滲鋁氣體滲鋁

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，然後再通入爐內，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℃爐內把水煮幹。在此過程中，NH₄HF₂加入後，分解成NH₄F和HF，氫氟酸與鋁鐵合金發生反應：

2Fe₂Al₅+42HF—→4FeF₃+10AlF₃+21H₂↑

經活化處理後的鋁鐵塊呈黃褐色，表面附着NH₄F、FeF₃、AlF₃的混合物。將活化處理後的滲鋁劑放入鳥籠式夾具中。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。^[3]

滲鋁噴鍍滲鋁

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，構成黏着牢固的鋁覆蓋層，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℃温度下進行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。

滲鋁電泳滲鋁

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。當提高擴散温度至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。

滲鋁電解滲鋁

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，然後通入電流，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。由於電解滲鋁時是採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温度、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。當温度一定時，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）處理温度範圍寬，可省去熱浸鋁後的擴散退火工序。^[3]

滲鋁應用

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，滲鋁的應用範圍也不斷擴大。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。

參考資料

1. 石油化工廠設備檢修手冊．讀秀網．2015.01[引用日期2017-12-18]
2. 才鴻年，馬建平主編．現代熱處理手冊．北京：化學工業出版社，2010.01 ：281~284
3. 曹曉明，温鳴，杜安編著．現代金屬表面合金化技術．北京：化學工業出版社，2007.03 ：156~158

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1 滲鋁簡介
2 滲鋁工藝
3 性能
4 共滲
5 現代滲鋁方法: 5.1 氣體滲鋁; 5.2 噴鍍滲鋁; 5.3 電泳滲鋁; 5.4 電解滲鋁
6 應用

滲鋁

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