熱浸鍍鋁對201不銹鋼恒溫氧化行為的影響

王建永， 劉愛蓮， 李鳳春

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；

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熱浸鍍鋁對201不銹鋼恒溫氧化行為的影響

王建永1， 劉愛蓮1， 李鳳春2

(1.黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 哈爾濱 150022；

2.哈爾濱建成集團有限公司， 哈爾濱 150030)

為改善201不銹鋼的恒溫抗氧化性能，采用溶劑法對201不銹鋼進行820 ℃熱浸鍍鋁，借助SEM和XRD分析201不銹鋼熱浸鍍鋁前后的鍍層形貌、厚度和其表面物的相組成。結(jié)果表明：熱浸鍍鋁201不銹鋼表面鍍鋁層光滑致密，厚約360 μm，由外向內(nèi)依次為富鋁層、擴散層和基體層；800 ℃下恒溫氧化40 h后，熱浸鍍鋁201不銹鋼的單位面積氧化增重量僅為未熱浸鍍鋁的八分之一。熱浸鍍鋁可顯著提高201不銹鋼的抗氧化能力。

201不銹鋼； 熱浸鍍鋁； 恒溫氧化； 溶劑法

0 引 言

熱浸鍍工藝因其低廉的價格、優(yōu)良的性能，成為世界各國金屬材料主要的防腐方法，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、機械、海洋工程等領(lǐng)域[1-3]。目前，熱浸鍍鋁的方法有森吉米爾法[4]、溶劑法[5]、無覆蓋熔劑的熱浸鍍滲鋁技術(shù)[6]、超聲波熱浸鍍滲鋁技術(shù)[7]、計算機數(shù)值模擬熱浸鍍滲鋁技術(shù)[8]等。201不銹鋼(12Cr17Mn6Ni5N)具有耐蝕性強、成型性好、價格低廉等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用在醫(yī)藥、食品、化工、石油等領(lǐng)域[9]。筆者通過溶劑法使201不銹鋼熱浸鍍鋁，觀察熱浸鍍鋁后201不銹鋼的微觀組織、物相組成及成分分析，探討熱浸鍍鋁后201不銹鋼的恒溫氧化性能。

1 實驗材料與方法

實驗選用201不銹鋼作為基體材料，化學(xué)成分見表1，試樣尺寸為20 mm×10 mm×1 mm。熱浸鋁所用的鋁材為1A99的工業(yè)純鋁。

表1 201不銹鋼的化學(xué)成分

201不銹鋼在熱浸鍍鋁前分別在10%NaOH溶液和15%鹽酸溶液中進行堿洗除油和酸洗除銹，之后浸泡在6%KF水溶液中2 min進行助鍍處理。1A99工業(yè)純鋁放入820 ℃的井式爐中融化，將試樣快速沉入融熔鍍液6 min后取出備用。熱浸鍍采用的表面熔融劑為47%NaCl+47%KCl+6%KF混合溶液。為防止浸鋁層氧化開裂，對浸鋁后試樣進行化學(xué)鍍鎳處理。

將熱浸鍍鋁201不銹鋼和未處理201不銹鋼放入KSL1600X箱式爐中進行800 ℃恒溫氧化實驗。分別在0、1、2、5、10、15、20、25、30、35和40 h采用AB265-S雙量程分析天平測量樣品質(zhì)量。

試樣表面與截面形貌采用Quant 200型掃描電子顯微鏡SEM觀察，物相分析采用Rigaku, D/MAX2200型X射線衍射儀XRD。

2 結(jié)果與分析

2.1 微觀組織結(jié)構(gòu)

圖1為 201不銹鋼熱浸鍍鋁后表面形貌。由圖1可知，201不銹鋼熱浸鍍鋁后表面明顯存在一層致密的Al層，其表面無裂紋和孔洞出現(xiàn)。

圖1 熱浸鍍鋁201不銹鋼表面形貌

Fig. 1 Surface morphology of 201 stainless steel after hot dip aluminum

圖2為201不銹鋼熱浸鍍鋁的能譜線掃描截面。由圖2可知，試樣浸鋁的表層為富鋁層，次外層為擴散層，其相對均勻平坦。富鋁層厚約200 μm，而其擴散層厚為160 μm，且擴散層中存在Cr、Ni、Mn等合金元素，這些合金元素對鋁原子的擴散有一定抑制作用，從而導(dǎo)致擴散層的厚度比富鋁層小。

圖2 熱浸鍍鋁201不銹鋼能譜線掃描截面

Fig. 2 Energy spectrum line scanning cross section of 201 stainless steel

圖3為201不銹鋼浸鋁XRD衍射圖譜，通過標(biāo)定可知衍射峰均為Al的衍射峰，因此，鍍層主要由純Al相組成。

圖3 熱浸鍍鋁201不銹鋼XRD圖譜

Fig. 3 XRD patterns of 201 stainless steel after hot dip aluminum

2.2 恒溫氧化性能

圖4為未處理的201不銹鋼和熱浸鍍鋁201不銹鋼分別在800 ℃恒溫氧化40 h后的XRD衍射圖譜。由圖4可知，201不銹鋼800 ℃氧化40 h后其表面氧化膜主要由MnFe2O4、Fe3O4和Fe2O3相組成。熱浸鍍鋁201不銹鋼在氧化過程中Al與Cr反應(yīng)形成了Al8Cr5相，Al氧化形成了Al2O3相，所以熱浸鍍鋁后氧化膜主要由Al8Cr5和Al2O3相組成。

圖4 試樣800 ℃恒溫氧化40 h后XRD圖譜

Fig. 4 XRD patterns of 201 stainless steel isothermal oxidation at 800 ℃ after 40 h

圖5為201不銹鋼浸鋁前后800 ℃氧化表面形貌，從圖5 a可見，未處理201不銹鋼表面上有氧化腐蝕產(chǎn)生的凹坑，不銹鋼表面的平整性很差。圖5 b為熱浸鍍鋁后的試樣表面，其表面形成了針狀的Al2O3相，Al2O3相阻止氧對201不銹鋼基體的腐蝕，表面平整性良好。

a 201不銹鋼

b 熱浸鍍鋁201不銹鋼

圖6為201不銹鋼浸鋁前后800 ℃恒溫氧化40 h后的截面形貌。由圖6 a可知，201不銹鋼在800 ℃恒溫氧化40 h后，氧化膜比較疏松，氧化膜中存在大量孔洞；由圖6 b可見，201不銹鋼經(jīng)熱浸鍍鋁處理后，其恒溫氧化的氧化膜致密性較好，氧化膜與基體結(jié)合較好，截面有一層明顯的富鋁層與擴散層，二者的厚度分別是100和88 μm。且由于在試樣表面進行化學(xué)鍍鎳處理，截面上有Ni的存在，其厚度為17 μm。

a 201不銹鋼

b 熱浸鍍鋁201不銹鋼

圖7為201不銹鋼浸鋁前后800 ℃恒溫氧化動力學(xué)曲線。由圖7可知，當(dāng)氧化時間不超過3 h時，未處理201不銹鋼試樣氧化增重迅速，之后隨氧化時間增加，其氧化增重量繼續(xù)增大，但增速變緩；而熱浸鍍鋁201不銹鋼試樣的單位面積氧化增重量u顯著低于201不銹鋼的單位面積氧化增重量，氧化40 h后，僅為未處理試樣的八分之一。這是由于熱浸鍍鋁在201不銹鋼表面形成了致密的鍍鋁層，鍍鋁層在氧化時和氧反應(yīng)生成致密的Al2O3，從而阻止了氧在隨后的氧化過程中向基體的擴散，從而達到抗氧化的目的。這說明熱浸鍍鋁顯著提高了201不銹鋼800 ℃的恒溫氧化性能。

圖7 試樣800 ℃氧化40 h的氧化動力學(xué)曲線

Fig. 7 Isothermal oxidation kinetics curves of sample at 800 ℃ for 40 h

3 結(jié) 論

(1)201不銹鋼熱浸鍍鋁層表面光滑致密，微觀組織由外向內(nèi)呈現(xiàn)分層結(jié)構(gòu)，分別是富鋁層、擴散層和基體層，熱浸鍍鋁層厚約360 μm。

(2)熱浸鍍鋁201不銹鋼外表面生成致密的Al2O3膜，鍍層由Al、Cr元素形成的Al8Cr5和Al2O3組成，能夠有效保護基體，抑制氧化腐蝕。

(3)熱浸鍍鋁顯著提高了201不銹鋼的抗恒溫氧化性能。

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(編校 王 冬)

Effect of hot dip aluminizing on isothermal oxidation behavior of 201 stainless steel

WangJianyong1,LiuAilian1,LiFengchun2

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China;2.Military Products Institute of Harbin Jiancheng Group, Harbin 150030, China)

This paper seeks to improve the isothermal oxidation resistance of 201 stainless steel, using the solvent method to hot dip aluminize 201 stainless steel at 820 ℃, and using SEM and XRD to analyze the thermal phase morphology, thickness and the surface composition before and after it is hot dip aluminized. The results show that hot dip aluminized 201 stainless steel surface has a smooth and compact aluminum layer, about 360 μm thick, with its sectional layer varying from aluminum-rich layer to diffusion layer to matrix; isothermal oxidation test 40 h at 800 ℃ shows that per unit area by hot dip aluminum oxide treated 201 stainless steel weight gain is only 1/8 of 201 stainless steel which are not hot dip aluminized. Hot dip aluminizing process enables a significant improvement in the oxidation resistance of 201 stainless steel.

201 stainless steel; hot dip aluminum; isothermal oxidation; solvent method

2016-08-25

王建永(1986-)，男，黑龍江省哈爾濱人，助理工程師，碩士，研究方向：材料表面工程，E-mail：qq359259051@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.05.013

TG142.71； TG174.4

2095-7262(2016)05-0532-04

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