Q235熱浸滲鋁鋼抗高溫氧化腐蝕性能研究

吳 笛， 張 杰， 王宇飛， 高宗華

(1.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.質(zhì)量管理處； b.機(jī)械工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730060；2.中國石油 蘭州石化分公司 煉油廠， 甘肅 蘭州 730060)

熱浸鍍鋁工藝是將預(yù)先經(jīng)過處理的碳鋼浸入一定溫度熔融的鋁液之中，經(jīng)過一定時(shí)間使得碳鋼的表面形成浸鍍鋁層，從而達(dá)到表面保護(hù)和表面強(qiáng)化的表面改性技術(shù)[1-2]。熱浸滲鋁是在熱浸鍍鋁工藝基礎(chǔ)上再進(jìn)行熱浸擴(kuò)滲處理，通過鐵鋁原子的互擴(kuò)散，使浸鍍鋁層大部分轉(zhuǎn)變成連續(xù)的鐵鋁化合物層，以滿足生產(chǎn)要求的熱處理工藝[3-5]。

熱浸滲鋁鋼合金層厚度不小于100 μm或涂覆量不小于280 g/m2，具有優(yōu)良的耐熱性能(抗氧化性)，一般比母材的使用溫度高200～250 ℃。碳鋼滲鋁使用溫度達(dá)800～850 ℃(不宜超過927 ℃)，可替代1Cr18Ni9Ti不銹鋼使用，且耐磨性能好。熱浸滲鋁鋼一般應(yīng)用在不低于450 ℃中高溫和高硫環(huán)境，如工業(yè)爐窯耐熱部件、熱交換器、熱風(fēng)爐、空氣燃?xì)忸A(yù)熱器、吹氧管、坩堝、退火罐、燃燒器具、除塵排煙設(shè)備、鍋爐及熱電偶套管等煉油廠設(shè)備[6]。

本文主要對(duì)Q235鋼熱浸滲鋁后的高溫長時(shí)間抗氧化腐蝕性能進(jìn)行研究，并對(duì)抗氧化過程中的作用機(jī)理進(jìn)行分析和研究。

1 Q235熱浸滲鋁鋼抗氧化腐蝕性能試驗(yàn)

1.1 試樣準(zhǔn)備與試驗(yàn)設(shè)備[7]

用經(jīng)優(yōu)化工藝參數(shù)處理的Q235熱浸滲鋁試樣(滲鋁溫度950 ℃，保溫時(shí)間6 h)進(jìn)行高溫氧化腐蝕性能試驗(yàn)。為了直觀對(duì)比其與母材的高溫氧化腐蝕性能，選用未浸滲的同規(guī)格試樣進(jìn)行同條件下高溫氧化腐蝕性能試驗(yàn)。

在進(jìn)行精確尺寸測量后，對(duì)所有試樣進(jìn)行除油、除銹和干燥處理后備用。試驗(yàn)采用具有調(diào)溫功能的電阻加熱爐，型號(hào)為RJX-8-13。

1.2 試驗(yàn)方法[8]

本試驗(yàn)確定的高溫氧化試驗(yàn)溫度為900 ℃ 。將2種試樣用坩堝盛裝(坩堝連同試件須提前進(jìn)行烘干等預(yù)處理)，放入加熱爐中，每種試樣單獨(dú)放置在對(duì)應(yīng)的坩堝內(nèi)。為減少試驗(yàn)誤差，每種試樣放置3個(gè)并進(jìn)行編號(hào)(01、02、03號(hào)試樣為原始試樣，31、32、33號(hào)試樣為熱浸滲鋁試樣)。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)加熱時(shí)間100 h，選擇4個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)(分別為22 h、47 h、73 h、100 h)取出試樣，空冷，用分析天平稱重，計(jì)算每個(gè)試樣單位面積、單位時(shí)間的氧化增重量K及每種試樣K值平均值，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制2種試樣的絕對(duì)氧化增重量對(duì)比曲線和K值對(duì)比曲線。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

Q235原始試樣與熱浸滲鋁試樣絕對(duì)氧化增重量對(duì)比曲線見圖1。

圖1 Q235原始試樣與熱浸滲鋁試樣絕對(duì)增重量對(duì)比曲線

從圖1可以看出，Q235原始試樣在開始的20 h左右增重明顯，20 h之后稍為平緩，但絕對(duì)增重量是持續(xù)增加的。Q235熱浸滲鋁試樣在開始的20 h左右絕對(duì)增重量增加較快，20 h之后曲線趨于平緩，直至100 h。100 h氧化腐蝕結(jié)束之后，Q235原始試樣的氧化增重量達(dá)到Q235熱浸滲鋁試樣的4.5倍左右。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，Q235熱浸滲鋁試樣絕對(duì)增重量明顯小于Q235原始試樣，說明其具有明顯的抗高溫氧化腐蝕性能。

研究發(fā)現(xiàn)，造成Q235熱浸滲鋁鋼氧化初期增重速度較快而中后期趨緩的主要原因有：①氧化膜在金屬表面未完全覆蓋，金屬與氣體的界面反應(yīng)控制著氧化速度，而這種氧化反應(yīng)速度較快，導(dǎo)致氧化初期試樣增重速度變快。②氧化膜具備將金屬與氣體介質(zhì)隔離的功能，隨著氧化時(shí)間的延長，Al和O2在逐漸增厚的氧化膜中的擴(kuò)散變得逐漸困難，氧化速率隨之降低[9]。

Q235原始試樣與熱浸滲鋁試樣K值對(duì)比曲線見圖2。

圖2 Q235原始試樣與熱浸滲鋁試樣K值對(duì)比曲線

從圖2可知，2種試樣的K值曲線差別較大，Q235熱浸滲鋁試樣的氧化腐蝕速率明顯低于Q235原始試樣。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，Q235熱浸滲鋁試樣在開始的一段時(shí)間氧化速率下降明顯，50 h后曲線趨于平緩，這說明在氧化腐蝕的初期屬于活躍期，其后因?yàn)檠趸さ倪t滯作用，氧化速率變化不大，與前面的分析結(jié)論一致。100 h后Q235原始試樣的K值為Q235熱浸滲鋁試樣K值的3.6倍。

2 Q235熱浸滲鋁試樣組織形貌及能譜分析

2.1 金相組織

Q235熱浸滲鋁試樣氧化腐蝕前的金相組織見圖3， 100 h氧化腐蝕后的金相組織見圖4。

圖3 Q235熱浸滲鋁試樣氧化腐蝕前金相組織(360×)

圖4 Q235熱浸滲鋁試樣100 h氧化腐蝕后金相組織(400×)

從圖3可以看出，氧化腐蝕前的Q235熱浸滲鋁試樣鋁層、合金層和基體層界限清晰，鋁層呈柱狀向基體層擴(kuò)散，并保持了一定厚度的合金層。

從圖4可以看出，經(jīng)100 h高溫氧化后，試樣由表面的Al2O3氧化膜層、合金層和基體層組成，合金層在高溫下進(jìn)一步擴(kuò)散，組織比較均勻，其中存在彌散分布的黑色Al2O3顆粒[10]。

2.2 能譜分析

Q235熱浸滲鋁試樣100 h氧化后氧化膜層能譜圖見圖5～圖6。

圖5 Q235熱浸滲鋁試樣氧化膜層測點(diǎn)及周圍形貌(400×)

圖6 Q235熱浸滲鋁試樣氧化膜層測點(diǎn)成分

從圖5、圖6可以看出，氧化膜層測點(diǎn)主要成分包括Fe及其化合物、Al2O3，另有以化合物形式存在的少量SiO2、CaCO3等。其中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40.79%，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為23.05%。

Q235熱浸滲鋁試樣100 h氧化腐蝕后合金層的能譜圖見圖7。從圖7可以看出，合金層測點(diǎn)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸降低，F(xiàn)e的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸升高，其中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加到66.65%，而Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)則減少為15.43%。

圖7 Q235熱浸滲鋁試樣合金層能譜圖

Q235熱浸滲鋁試樣100 h氧化后基體層能譜見圖8?？梢钥闯觯拷辖饘拥幕w層測點(diǎn)Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)一步降低，基體主要成分為Fe及其化合物。其中Fe的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到67.92%，Al的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減少至3.43%。

圖8 Q235熱浸滲鋁試樣基體層能譜圖

通過對(duì)100 h氧化后的熱浸滲鋁試樣的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，表面的氧化物已經(jīng)深入到合金層中，氧化層中氧化物相大量增多，其中Al2O3占總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的30%以上?；w層靠近合金層的白亮的Fe2Al3相增多，局部區(qū)域出現(xiàn)了少量的FeAl相，F(xiàn)e2Al3相和FeAl相占總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的3%左右。在合金層存在少量的Fe2Al5相，其占比不超過總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的1%。

氧化初期氧化膜的主要成分是亞穩(wěn)態(tài)的θ-Al2O3和亞穩(wěn)態(tài)的針葉狀γ-Al2O3。在氧化的后期氧化膜的主要成分是穩(wěn)態(tài)的α-Al2O3，α-Al2O3氧化膜具有優(yōu)良的抗高溫氧化腐蝕性能[11-13]。

目前存在2種截然不同的有關(guān)影響形成α-Al2O3氧化膜的因素的觀點(diǎn)[14-20]。一種認(rèn)為利用提供非均勻的形核生長點(diǎn)、阻止亞穩(wěn)態(tài)的Al2O3晶粒長大、形成混合氧化物等機(jī)制可以加速α-Al2O3向θ-Al2O3的轉(zhuǎn)變。另一種認(rèn)為可利用在亞穩(wěn)態(tài)θ-Al2O3晶格中化學(xué)摻雜、消耗亞穩(wěn)態(tài)Al2O3中的O空位等機(jī)制降低亞穩(wěn)態(tài)Al2O3的空位濃度而延緩向α-Al2O3氧化膜的轉(zhuǎn)變。

從圖8可以看出，基體層有Al出現(xiàn)，說明氧化腐蝕過程中Al元素與Fe元素的相互擴(kuò)散很充分。合金層中Al元素與Fe元素的相互擴(kuò)散已趨于平衡，基本為Fe2Al5相。氧化層則主要為穩(wěn)定的α-Al2O3相[21]。

3 結(jié)語

通過試驗(yàn)研究了900 ℃、100 h條件下Q235熱浸滲鋁鋼的抗高溫氧化腐蝕性能。結(jié)果表明，熱浸滲鋁試樣氧化增重量約為原始試樣氧化增重量的1/4，氧化速率為原始試樣的1/3.6，熱浸滲鋁鋼抗高溫氧化腐蝕性能優(yōu)良。經(jīng)金相組織及能譜分析，氧化腐蝕后試樣由表面的氧化膜、合金層和基體層組成，穩(wěn)態(tài)的α-Al2O3氧化膜具有優(yōu)良的抗高溫氧化腐蝕性能。