渗铝

渗铝使一种或多种金属原子渗入金属工件表层内的化学热处理工艺。

将金属工件放在含有渗入金属元素的渗剂中,加热到一定温度，保持适当时间后,渗剂热分解所产生的渗入金属元素的活性原子便被吸附到工件表面，并扩散进入工件表层，从而改变工件表层的化学成分、组织和性能。

与渗非金属相比,金属元素的原子半径大,不易渗入，渗层浅，一般须在较高温度下进行扩散。

金属元素渗入以后形成的化合物或钝化膜，具有较高的抗高温氧化能力和抗腐蚀能力，能分别适应不同的环境介质。

渗金属的方法主要有固体法（如粉末包装法、膏剂涂渗法等）、液体法（如熔盐浸渍法、熔盐电解法、热浸法等）和气体法。

金属元素可单独渗入，也可几种共渗，还可与其他工艺（如电镀、喷涂等）配合进行复合渗。

生产上应用较多的渗金属工艺有：渗铝、渗铬、渗锌、铬铝共渗、铬铝硅共渗、钴（镍、铁）铬铝钒共渗、镀钽后的铬铝共渗、镀铂（钴）渗铝、渗层夹嵌陶瓷、铝-稀土共渗等。

渗铝钢铁和镍基、钴基等合金渗铝后，能提高抗高温氧化能力，提高在硫化氢、含硫和氧化钒的高温燃气介质中的抗腐蚀能力。

为了改善铜合金和钛合金的表面性能，有时也采用渗铝工艺。

渗铝的方法很多。

冶金工业中主要采用热浸、静电喷涂或电泳沉积后再进行热扩散的方法，大量生产渗铝钢板、钢管、钢丝等。

静电喷涂或电泳沉积后，必须经过压延或小变形量轧制，使附着的铝层密实后再进行扩散退火。

热浸铝可用纯铝浴，但更普遍的是在铝浴中加入少量锌、钼、锰、硅，温度一般维持在670℃左右,时间是10～25分。

机械工业中应用最广的是粉末装箱法，渗剂主要由铝铁合金（或纯铝、氧化铝）填料和氯化铵催化剂组成。

渗铝主要用于化工、冶金、建筑部门使用的管道、容器,能节约大量不锈钢和耐热钢。

在机械制造部门,渗铝的应用范围也不断扩大。

低碳钢工件渗铝后可在780℃下长期工作。

在900～980℃环境中，渗铝件的寿命比未渗铝件显著提高。

18-8型不锈钢和铬不锈钢渗铝后，在594℃硫化氢气氛中,抗腐蚀能力比未渗铝的大大增加。

760℃ 时在含铅燃料燃烧产物的腐蚀下工作的汽车排汽阀，或是在900℃下工作的燃气轮机叶片,渗铝后的腐蚀抗力都有明显增加。

渗铬碳素钢和合金钢（包括耐热钢和高温合金）在渗铬后，可提高耐蚀、耐磨和抗高温氧化性能。

渗铬主要有粉末法、气体法和熔盐法，其中以粉末法在工业上应用较多。

粉末渗剂由铬粉、卤化铵和氧化铝组成。

渗铬温度1000～1100℃，保温时间一般为4～8小时。

渗铬后的镍基合金,在850℃时有相当高的抑制硫化物腐
蚀的能力，可用于燃汽轮机叶片等零件。

渗铬后的热锻模和喷丝头等耐磨性提高，使用寿命成倍增加。

许多与水、油或石油接触的部件都采用渗铬处理，以抵抗多种介质的腐蚀。

渗铬后的钢件还可代替不锈钢用于各种医疗手术器械和奶制品加工器件。

渗锌工件渗锌后可提高抗大气腐蚀能力。

这是因为锌比铁更显正电性,在腐蚀介质中锌首先被腐蚀,使基体受到保护。

工业上多采用粉末渗锌，即以锌粉作为渗剂,也有加惰性或活性材料的,一般在380～400℃下进行，通常保温2～4小时。

热浸渗锌是将工件浸入400～500℃的熔融纯锌中，扩散渗入。

渗锌层与基体有良好的结合力,厚度均匀，适用于形状复杂的工件,如作为带有螺纹、内孔等的工件的保护层。

碳钢渗锌已用于紧固件、钢板、弹簧、电台和电视台天线等产品。

共渗和复合渗两种以上金属元素的原子依次渗入或同时渗入的化学热
处理方法。

有时也采用镀-渗、喷-渗、镀-喷-渗、电泳－渗等化学热处理工艺与其他工艺相配合的方法。

共渗或复合渗可以使工件获得较单一扩散保护层优越的性能，以满足航空、航天和其他动力工业对机械零件的特殊要求。

例如，铬铝共渗件有良好的抗含硫燃气腐蚀和抗高温氧化性能；铬铝硅共渗能得到较满意的抗氧化、抗高温腐蚀的综合性能。

又如，耐热合金在高温下使用时，其表面扩散保护层与基体之间有相互扩散作用，能使表面层合金含量降低，丧失保护作用。

为解决这一问题，可采用先渗钽（或铬-钽）,然后再渗铝或铬铝、镍（钴）铝等共渗，也可采用镀铂(钴)后渗铝。

渗层夹嵌陶瓷，如渗铝将二氧化钛、三氧化二铝陶瓷微粒夹嵌在渗层内的渗铝夹嵌陶瓷，可改善抗高温氧化性能和抗起皮性能，增加抗硫蚀、抗冲蚀的能力。

如果在渗剂中加稀土元素可显著地改善渗层的抗硫化物的腐蚀性能。

气相沉积气相沉积是在钢、镍基合金、钴基合金和硬质合金表面建立金属碳化物、氮化物、硼化物和复合化合物等覆盖层的现代方法。

覆盖方法大致分为化学气相沉积和物理气相沉积两种。

化学气相沉积的处理温度一般在1000℃以上。

通常，在工模具、高速钢和硬质合金刀具的表面覆盖一层碳化钛或氮化钛，可使使用寿命提高数十倍。

化学气相沉积形成的覆盖层在沉积过程中可以有一二种元素扩散进入基体金属而形成过渡层，提高结合力，但由于处理温度高，工件易畸变，同时气氛中含氯化氢多，容易污染大气。

物理气相沉积是承袭化学气相沉积提高表面性能的优点，克服高温等缺点而发展起来的，主要有真空蒸镀、真空溅射和离子镀等方法。

物理气相沉积的共同特点是用高能密度的镀覆粒子撞击工件,释放的能量使工件发热，但一般不超过600℃，故畸变小。

根据需要,沉积层厚度为1～150微米,一般为5～15微米。

物理气相沉积比化学气相沉积优越之处在于温度低（如空心阴极放电蒸镀，工件温度甚至不超过300℃）、畸变小，无氢脆，但设备比较复杂,而且与基体金属的结合力尚嫌不足。

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。