固体渗铝技术介绍

固体粉末包埋渗铝概念
渗铝是金属材料表面化学热处理的一种方法，是把钢制工件或介质加热到一定温度使铝原子渗入并扩散到钢材基体内的过程。

根据不同的使用要求、渗铝可在碳钢、低合金钢及高铬镍合金钢基体上进行。

这些材料经过渗铝后，在其表面形成一层具有特殊性能的铁—铝合金层，从而提高材料的抗高温氧化性能和耐腐蚀性能。

渗铝的方法有多种，一般按处理过程的介质状态，操作方法及加热手段可分为：固体粉末包埋扩散渗铝；液体热浸扩散渗铝；气体渗铝；涂刷和喷涂渗铝；静电喷涂渗铝；电泳沉积渗铝；熔融盐电解渗铝；中频高频料浆快速感应渗铝等多种方法。

其中应用最多的是固体粉末包埋扩散渗铝和液体热浸扩散渗铝两种方法。

凡钢材需要弯曲焊接等再加工的一般均采用固体粉末包埋扩散渗铝方法。

渗铝钢的性能
1、机械性能
总体上说，渗铝钢的机械性能取决于母材的机械性能，但在钢材表面进行渗铝后，虽然渗层很薄，但渗层的机械性能同母材的机械性能相差很大，对其基体材料的机械性能或多或少都会产生一些影响。

材料表面经过渗铝后，在表面形成一层铁—铝合金层，这层合金层硬度非常高，并且很脆。

但是由于渗层厚度有限，对于结构件来说，不会对使用性能产生什么影响，但是对于受压元件来说，就不得不考虑渗层对机械性能的影响，为了尽可能减少渗层对机械性能的影响程度，从两个方面加以控制，第一是调整渗剂配方，使渗层硬度降低，改善渗铝层的机械性能；第二是控制渗层厚度，在满足需要的前提下尽可能减小渗铝层的厚度，渗层薄对机械性能自然影响就小。

定性上说渗铝对母材机械性能影响大小决定于渗厚度与母材厚度的比值，对于渗后做承压部件或受力部件的管材单面渗铝层厚与母材厚度的比值不宜超过0.07、且不大于0.20mm，对于双面渗铝的管材或型钢，渗铝双面厚度之和与母材厚度的比值不宜超过0.12，且每面渗层不超过0.20mm。

对于薄壁管材和轻型型钢、渗铝层对机械性能影响大一些，对于厚壁管和普通型钢渗铝层对整体机械性能影响很小。

因此当薄壁渗铝管材或型材用于承压或受力元件时，必须考虑渗层对该材料整体机械性能的影响。

实际上关于渗铝层对机械性能的影响是一个技术问题，作为一种新材料，从技术角度必须考虑和解释清楚渗铝对材料机械性能的影响问题。

在实际应用中作为普通换热器，换热管的强度问题并不是主要问题，所以渗铝后对换热管的机械性能的影响一般可以不予考虑。

对于一些高压或有特殊用途和特殊要求的换热器，应当把渗铝影响材料机械性能因素考虑在内。

碳钢基体渗铝材料可以进行冷热成型，在冷态拉伸长度不超过8%，在加热到760℃以上时拉伸不超过25%时不影响渗层质量。

不锈钢和其它高铬镍合金钢不允许冷成型，热成形时需加热到较高温度。

2、抗腐蚀性能
渗铝钢在240℃以上，具有很强的抗H2S、SO2、SO3和RCOOH的腐蚀能力，在同等条件下，渗铝层的铝含量在15%（wt）以上，其耐蚀性比18-8级不锈钢高三倍以上。

当渗层铝含量达到20%（wt）以上时，其抗高温硫的腐蚀能力远远高于含铬28%的不锈钢。

在石油加工过程中，在240℃以下原油中的有机硫化物未分解、故不存在严重的硫腐蚀问题。

在240℃～340℃之间、原油中的有机硫化物开始分解，生成H2S，并随着温度的升高而腐蚀加重，反应式
H2S+Fe→FeS+H2
当温度从340℃～400℃时，H2S开始分解，此时腐蚀反应式为：
H2S→H2＋SFe+S→FeS
在有RCOOH作用下，腐蚀进一步加剧。

这是因为：
2RCOOH+Fe→Fe(RCOOH)2＋H2↑
FeS+2RCOOH→Fe(RCOOH)2＋H2S↑
环烷酸（RCOOH）在220℃以下不发生腐蚀，以后随着温度升高腐蚀增加，在270℃～280℃腐蚀最大，温
度再提高腐蚀又下降。

在350℃附近腐蚀又急骤增加。

在400℃以上没有腐蚀了。

因此在常减压装置中加工高酸值低硫原油的设备腐蚀，比单独加工高硫（或高酸值）原油的腐蚀更为严重，特别是在270℃～280℃及350℃附近。

在426℃～430℃时、高温硫对设备的腐蚀最快。

当温度大于480℃时H2S完全分解腐蚀下降，当温度大于500℃时、不是硫化物腐蚀范围。

此时为高温氧化。

渗铝钢的抗低温(120℃)以下H2S腐蚀能力也优于18-8级不锈钢，且不发生应力腐蚀开裂问题。

在石油加工过程中低温H2S腐蚀部位主要发生在：
（1）催化裂化分馏塔顶冷凝冷却系统、及吸收解吸系统、腐蚀类型为：
H2S-NH3-H2OHCN-H2S-H2O
（2）脱硫装置再生塔顶的冷却系统、腐蚀类型为：
CO2-H2S-H2O
（3）干气及液态烃脱硫的再生塔底部系统及富液管线系统、腐蚀类型为：
RNH2-CO2-H2S-H2O
（4）液化石油气罐、加氢装置和脱硫装置后冷器部分。

腐蚀类型为：
H2S-H2O
渗铝钢耐蚀性决定渗层的铝含量、当渗层中铝含量达8%（wt）时，抗H2S作用明显增强，现在标准中一般要求渗层铝含量大于15%（wt），这时渗层的原子含量在30%以上，对金属材料的保护作用表现在，表面形成一层致密的，附着力很强，并且极为稳定的Al2O3保护膜，这层保护膜具有很强的自身修复和再生性。

研究表明当渗铝含量在8%(wt)以上时,就能形成连续的保护膜。

3、抗高温氧化性能
在高温氧化环境中，含铬的不锈钢能生成高铬氧化膜，同样渗铝钢表面也能形成氧化膜，且氧化铝膜比氧化铬膜更稳定、因此渗铝层能更有效地保护金属材料。

经过实验证明Cr13型不锈钢在870℃以上氧化环境中剥皮严重。

在耐高温的铬钼钢和18-8型以上高铬镍合金钢表面进行渗铝可进一步提高其抗高温氧化性能。

在实验室对同样大小（50×15×4），材质分别为Q235A，Q235A渗铝、1Cr18Ni9Ti的三个试件进行高温氧化试验，试验方法是将试件放进电炉加热到980℃恒温24小时，出炉在室温中冷却到200℃再进电炉加热到980℃恒温24小时，这样反复8次，碳钢试件全部氧化，碳钢渗铝试件仅轻微变色，不锈钢试件深度剥皮脱落。

4、抗渗碳性能
在高温富碳环境中，合金钢和不锈钢都发生渗碳，材料渗碳后，变得非常脆，硬度提高，强度下降，严重时引起金属粉末化，损坏钢材的使用性能，但在相同条件下渗铝钢的渗碳粉末化倾向甚微，因此在高温富碳环境中使用渗铝钢会大大提高材料寿命。

渗铝钢之所以能有效地阻止渗碳，是由于钢材表面加入铝原子后、大大地降低了碳在钢中的溶解度。

另外渗铝钢与非渗铝钢表面渗碳性能差别较大，因此两种材料对碳的吸附能力就有差别，这就使得在同等条件下（如裂化炉管）生焦速度不同，这是渗铝钢的又一特性，实验也证明了这一点。

例如加拿大一家乙烯裂解厂的乙烯裂解炉，炉管为802耐高温镍铬铁合金，以石脑油为原料，炉子入口温度为579℃，出口为844℃，炉管表面温度估计为954～1037℃。

两排炉管一排渗铝、另一排没有经过渗铝、在不改变炉子燃烧形式条件下，6周后进行24小时水蒸汽除焦，发现经过渗铝的一排炉管结焦明显比没经过渗铝的另一排炉管少。

经过三年无故障操作后进行停工检修、将渗铝炉管和未渗
铝炉管各取出一段进行评价，（双段均取自靠近出口的高温部分）通过目测和金相检查、并测定管壁金属的损失和渗碳程度。

结果渗铝的合金管无金属损失，表面光滑，无腐蚀，无渗碳、渗铝层未向基体内进一步扩散，基本无碳化现象。

相反未渗铝的合金管厚度损失20%以上。

由于渗碳，管子表面粗造，凹凸不平，管子内部已高度磁化。

经过多次水蒸汽烧焦对管内渗层没有影响。

因此在耐高温802高镍铬合金基体上渗铝，能提高裂化炉管的使用寿命许多倍，并且可降低裂解过程中的生焦量。

延长两次烧焦之间的运行时间。

因此在高合金加热炉管上进行渗铝，一方面可防止管外高温氧化、另一方面可有效地降低管内结焦，防止渗碳，可大大地提高炉管的使用寿命。

5、抗渗氢性能
渗铝钢能降低钢的氢渗透速度，国外有关资料介绍，铁素体和奥氏体钢材经过渗铝，其氢渗透速度比同种材料未经过渗铝的合金最少要降低3个数量级。

因此渗铝钢具有良好的抗氢腐蚀作用，渗层比基体氢渗透速度要低3个数量级。

6、导热性能
渗铝钢与非渗铝钢的导热性能没有什么变化，但在高温氧化环境中，由于两者的抗高温氧化性能不同、非渗铝钢表面会形成氧化皮，从而使两者的传热效果发生变化。

因此渗铝钢在高温氧化环境中的传热效率会有所提高。

7、焊接性能
渗铝钢的可焊性与其母材的可焊性差别不大，但两者的焊接方法和焊接工艺有所不同，渗铝钢的焊接要兼顾两方面问题。

一是要保证材料的整体机械性能，二是要使焊缝表层具有与渗铝层相同或相近的抗高温氧化性或耐蚀性，并且保证焊缝处的性能连续性。

因此焊接时在焊缝处要作些特殊处理。

美国、日本早在60年代就开始做这方面的工作。

我国近几年才开始焊接的研究工作，并没有形成各方认可的焊接接头形式和焊接方法。