滲鋁鋼滲鋁層中孔隙及裂紋對(duì)其耐高溫SO2腐蝕性能的影響

李國喜，陳樹忠

（1.東北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧沈陽110819；2.興化市中科滲鋁鋼管有限公司，江蘇興化225700）

滲鋁鋼具有優(yōu)良的耐高溫氧化及硫化物氣體腐蝕性能，廣泛應(yīng)用于硫酸、煉油等抗硫化物氣體腐蝕的設(shè)備中。GB/T18592—2001《金屬覆蓋層鋼鐵制品熱浸鍍鋁技術(shù)條件》規(guī)定了滲鋁層的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，其檢驗(yàn)指標(biāo)包括漏滲、厚度、孔隙、裂紋及滲層與鋼基體界面的類型。目前國內(nèi)滲鋁工藝對(duì)漏滲、厚度及界面類型的控制都可以達(dá)到要求，但對(duì)孔隙及裂紋的控制有時(shí)還未能達(dá)標(biāo)。因此，筆者進(jìn)行了孔隙、裂紋與工藝參數(shù)的關(guān)系及其對(duì)滲鋁層耐SO2氣體腐蝕性能影響的研究。

1 滲鋁工藝參數(shù)對(duì)滲鋁層孔隙及裂紋的影響

熱浸滲鋁的工藝流程為：鋼管→預(yù)處理→熱浸鋁→擴(kuò)散處理→冷卻→成品。

熱浸滲鋁工藝中，主要的工藝參數(shù)有浸鋁溫度、浸鋁時(shí)間、擴(kuò)散溫度、擴(kuò)散時(shí)間及冷卻速度。雖然冷卻速度會(huì)產(chǎn)生重要影響，但考慮到批量生產(chǎn)的實(shí)際情況和成本問題，冷卻速度一般介于隨爐冷與空冷之間，選擇冷速最大的空冷就能夠代表冷卻速度的影響。浸鋁溫度及浸鋁時(shí)間生產(chǎn)上變化不大，因此，僅通過改變擴(kuò)散溫度及擴(kuò)散時(shí)間來研究其對(duì)熱浸滲鋁層孔隙和裂紋的影響。

20 G鋼管在工業(yè)純鋁中浸鋁，不同擴(kuò)散條件下滲鋁層的孔隙及裂紋級(jí)別見表1。

對(duì)應(yīng)試樣在不同擴(kuò)散條件下滲鋁層的金相組織見圖 1。

表1 不同擴(kuò)散條件下滲鋁層的孔隙及裂紋級(jí)別

圖1 不同擴(kuò)散條件下滲鋁層的金相組織

由表1及圖1可見：隨擴(kuò)散溫度及擴(kuò)散時(shí)間的增加，滲鋁層中的孔隙逐漸增多，其中溫度的影響更為明顯，裂紋隨擴(kuò)散工藝條件的改變，變化不明顯，只是偶爾隨機(jī)出現(xiàn)，基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求。據(jù)GB/T18592—2001《金屬覆蓋層鋼鐵制品熱浸鍍鋁技術(shù)條件》要求，750 ℃擴(kuò)散的孔隙級(jí)別基本都在2級(jí)以上，全部合格；850 ℃擴(kuò)散的基本在2～4級(jí)，其中擴(kuò)散5 h的已不合格；950 ℃擴(kuò)散的在4～5級(jí)，全部不合格。GB/T18592—2001《金屬覆蓋層鋼鐵制品熱浸鍍鋁技術(shù)條件》規(guī)定的擴(kuò)散溫度850～930 ℃，擴(kuò)散時(shí)間 3～5 h，即使取下限擴(kuò)散溫度，一旦擴(kuò)散時(shí)間超過 3 h，很容易出現(xiàn)滲鋁層孔隙級(jí)別不合格的情況。而在低于850 ℃的溫度擴(kuò)散，雖然能保證孔隙級(jí)別，但擴(kuò)散條件已不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。而且擴(kuò)散溫度低，時(shí)間短，鋁原子向內(nèi)擴(kuò)散不充分，滲鋁層的鋁濃度高，脆性大，易產(chǎn)生裂紋，給后續(xù)加工帶來困難及質(zhì)量隱患。因此，在目前標(biāo)準(zhǔn)要求不變的情況下，嘗試通過在鋁液中添加合金元素來控制孔隙及裂紋。

2 滲鋁液中添加合金元素對(duì)滲鋁層孔隙及裂紋的影響

在擴(kuò)散處理過程中，滲鋁層中鋁、鐵原子相向進(jìn)行擴(kuò)散，因?yàn)殇X原子的原子半徑小，擴(kuò)散速度快，所以在滲鋁層外側(cè)鋁原子的位置留下空位，聚集而成空隙。除了擴(kuò)散溫度及擴(kuò)散時(shí)間影響鋁、鐵原子的擴(kuò)散外，在滲鋁層中引入第三合金元素也會(huì)影響擴(kuò)散。

添加不同合金元素所得滲鋁層的孔隙及裂紋級(jí)別見表2。

添加不同合金元素所得滲鋁層的金相組織見圖2。

由表2及圖2可見：與圖1比較，加入合金元素后，滲鋁層的孔隙率有所降低，尤其在950 ℃時(shí)擴(kuò)散也基本符合標(biāo)準(zhǔn)要求，擴(kuò)展了孔隙率合格工藝條件的范圍。

3 不同滲鋁層耐SO2腐蝕性能

各種滲鋁層在φ（N2）80%，φ（O2）10%，φ（SO2）10%氣氛中，600 ℃恒溫條件下腐蝕168 h的試驗(yàn)結(jié)果見表3和圖3。

表2 添加不同合金元素所得滲鋁層的孔隙及裂紋級(jí)別

圖2 添加不同合金元素的滲鋁層的金相組織

表 3 不同合金元素滲鋁層在600 ℃含SO2氣氛中腐蝕168 h試驗(yàn)結(jié)果

圖3 各種滲鋁層在φ(N2)80%+φ(O2)10%+φ(SO2)10%氣氛中600 ℃腐蝕168 h的質(zhì)量增加速率

由表3及圖3可見：950 ℃擴(kuò)散的滲鋁層的耐蝕性比750 ℃擴(kuò)散的要好，這是因?yàn)樵?00 ℃以上的溫度恒溫，滲鋁層表面形成α-Al2O3（剛玉型）氧化膜，比900 ℃以下恒溫所得表面γ-Al2O3氧化膜致密，所以耐腐蝕性能更優(yōu)。合金元素的影響為：加Cr的滲鋁層比純鋁的耐蝕性低，表明加Cr降低滲鋁層的耐硫化物腐蝕性能；加Si的耐蝕性與純鋁相當(dāng)；而加稀土Ce的滲鋁層的耐蝕性比純鋁好，因?yàn)橄⊥猎乜商岣哐趸さ酿じ叫詫?dǎo)致不易脫落所致。

4 SO2腐蝕試驗(yàn)后滲鋁層的孔隙及裂紋的變化

950 ℃擴(kuò)散滲鋁層168 h腐蝕試驗(yàn)后的金相組織見圖 4。

750 ℃擴(kuò)散滲鋁層168 h腐蝕試驗(yàn)后的金相組織見圖5。

與圖1和圖2相比較，由圖4可見：各個(gè)滲鋁層的孔隙稍有增加，按照GB/T18592—2001《金屬覆蓋層鋼鐵制品熱浸鍍鋁技術(shù)條件》評(píng)級(jí)基本在3級(jí)，處在合格范圍。而從圖5可見：Al-2.5%Si及純鋁滲層的孔隙級(jí)別已達(dá)5～6級(jí)，完全不合格。

圖4 950 ℃×3 h擴(kuò)散滲鋁層168 h腐蝕后的金相顯微組織

圖5 750 ℃×3 h擴(kuò)散滲鋁層腐蝕168 h后的金相顯微組織

分析原因，950 ℃擴(kuò)散處理，鋁、鐵原子擴(kuò)散較充分，而腐蝕試驗(yàn)的600 ℃溫度較低，雖然鋁、鐵原子也會(huì)繼續(xù)發(fā)生擴(kuò)散，但擴(kuò)散速度很慢，所以孔隙長大不明顯；750 ℃擴(kuò)散處理，鋁、鐵原子擴(kuò)散不充分，濃度梯度大，在600 ℃下還會(huì)繼續(xù)以較快的擴(kuò)散速度擴(kuò)散，所以孔隙長大很明顯。

從腐蝕前后孔隙長大的對(duì)比發(fā)現(xiàn)：低于850 ℃的低溫?cái)U(kuò)散雖然擴(kuò)散后孔隙率低，但如果在鋁原子開始擴(kuò)散的溫度（480 ℃）以上使用，則孔隙會(huì)繼續(xù)長大，一定時(shí)間后孔隙率變?yōu)椴缓细?；高?50 ℃的高溫?cái)U(kuò)散，雖然擴(kuò)散后孔隙率高，但后續(xù)使用中孔隙率發(fā)展速度慢，而且因?yàn)楸砻嫘纬搔?Al2O3氧化膜，更致密，耐腐蝕性能更好。

5 結(jié)論

上述試驗(yàn)結(jié)果表明：

1）在工業(yè)純鋁液中浸鋁，在850 ℃以下的溫度擴(kuò)散，滲鋁層孔隙級(jí)別能達(dá)到國標(biāo)的要求，但擴(kuò)散溫度低于國標(biāo)要求；裂紋隨擴(kuò)散工藝條件的改變，變化不明顯，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2）在滲鋁液中添加w(Cr)1.5%或w(Ce)0.5%，在850～950 ℃的擴(kuò)散溫度內(nèi)，滲鋁層的孔隙可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)1～3級(jí)的合格要求。

3）在φ(N2)80%，φ(O2)10%，φ(SO2)10% 氣氛中，于600 ℃恒溫腐蝕168 h條件下，滲鋁層的孔隙稍有增加，950 ℃擴(kuò)散的滲鋁層耐SO2腐蝕性能比750 ℃擴(kuò)散的好，加Ce滲鋁層耐腐蝕性能最優(yōu)。