渗铝工艺及性能优化

1.粉末渗铝工艺和影响因素

工件埋在粉末状的渗铝剂中，然后加热到900～1050℃保温一段时间，可实现粉末渗铝。其渗入机制是高温下粉末渗剂发生反应，在工件的表面析出活性铝原子，活性铝原子随即扩散进入工件内，在工件表面形成渗层。表8-68是常用的粉末渗铝剂的成分、工艺规范及渗层深度。

表8-68 常用的粉末渗铝剂的成分、工艺规范及渗层深度

粉末渗铝剂一般由供铝剂、催渗剂、填充剂三部分组成。

供铝剂为铝粉或铝铁合金粉。供铝剂提供渗铝所需的活性铝原子。供铝剂的粒度一般应为φ0.071～φ0.280mm（60～200目）。如果工件表面要求比较光滑，则粉末粒度要更细些。

催渗剂一般用卤盐，其中用氯化铵的最多。催渗剂主要作用是活化被渗工件和供铝剂。由于卤盐会使渗剂吸潮，潮气在高温下会影响催渗的效果和使工件表面粗糙度值增加，所以催渗剂在使用前再加入效果较好。

图8-46 温度和时间对渗铝层深度的影响

a）w（C）=0.06% b）w（C）=0.12% c）w（C）=0.38% d）w（C）=0.56%

填充剂为氧化铝（Al₂O₃）或高岭土粉末，即陶土类物质。填充剂具有防止金属粉末黏结和调节渗剂活性的作用，在使用前最好在800～900℃煅烧。

在生产中渗剂再次使用时，一般要加入一定量的供铝剂和催渗剂，使渗剂保持原有的活性。以表8-68中序号4的配方为例，在生产中，再次使用时，需加入10%～30%的铝粉和0.5%～1.5%的氯化铵。

影响渗铝层深度的因素有材质、温度、时间、渗剂成分、加热方式等。

图8-46所示为不同碳含量的钢渗铝时，温度和时间对渗铝层深度的影响。图中曲线显示随着温度升高，渗铝层深度增加；时间增加，渗铝层深度呈对数关系增加；在低于950℃的温度渗铝或钢的碳含量较低时，碳含量的变化对渗铝层影响不大；对于中、高碳钢，随着碳含量的增加，渗铝层深度减少。因此，渗铝最好用低碳钢，渗铝温度尽可能提高，保温时间要适度。

粉末渗铝不仅适合钢和高温合金，还可用于铜合金、钛合金及难熔金属铂、铌等，其粉末渗铝工艺见表8-69。

表8-69 铜合金、铁合金及铂、铌的粉末渗铝的工艺

铜渗铝加后处理后可用作触点材料，不仅有良好的导电性，还有良好的抗电弧侵蚀和耐磨性。温度和时间对纯铜渗铝层深度的影响见表8-70、表8-71。随着温度升高、时间延长，渗铝层深度增加。铝渗入铜形成Al-Cu的α固溶体。

表8-70 温度对纯铜渗铝层深度的影响（保温时间4h）

表8-71 时间对纯铜渗铝层深度的影响（保温温度900℃）

2.渗铝层的组织(www.xing528.com)

渗铝层的组织与渗铝方法、渗铝剂成分、渗铝温度和基体材料等有关。钢的渗铝层由表及里依次形成FeAl₂金属间化合物、FeAl固溶体、Fe₃Al固溶体和含Al的α-Fe固溶体。

图8-47 渗铝层的硬度分布

1—900℃粉末渗铝，6h 2—900℃粉末渗铝，3h 3—900℃粉末渗铝，1h 4—940℃膏剂渗铝，4h

3.渗铝层的性能及应用

（1）硬度和耐磨性 图8-47所示为钢在不同工艺条件下（渗铝层深度不同）的渗铝层的硬度分布。渗铝层随保温时间的增加，渗铝层深度增加，硬度提高。渗铝钢件的耐磨性随表面硬度的提高而提高。

（2）抗氧化性能 渗铝层在氧化性环境中，形成致密稳定、与基体结合良好的Al₂O₃薄膜。Al₂O₃薄膜具有良好的抗高温氧化性能。钢铁及耐热合金渗铝后，与原来未渗铝的同种钢相比，使用温度一般可提高200～300℃。几种材料渗铝与未渗铝的氧化速度见表8-72。由表8-72可以看出，20钢渗铝比未渗铝处理的抗高温氧化性能提高了100倍以上；不锈钢、镍基或钴基合金渗铝后，其抗高温氧化性能可得到显著的提高。

表8-72 几种材料渗铝与未渗铝的氧化速度

（3）耐蚀性 由于铝的电化学特性，渗铝层在很多腐蚀介质中具有良好的耐蚀性，并在金属防腐蚀应用方面取得了明显效果。

1）耐大气腐蚀。在大气条件下渗铝钢比热镀锌钢具有更好的耐蚀性。例如，渗铝钢在工厂地区大气暴露5年，其腐蚀量是热镀锌钢的1/10，在海洋地区暴露2年，其腐蚀量是热镀锌钢的1/20。渗铝钢在各种大气环境下的使用寿命与渗铝层深度有一定的关系。

2）各种pH值溶液中的耐蚀性。将渗铝钢和热镀锌钢在pH值为3～12范围内的溶液中进行长时间的浸泡试验，结果表明，渗铝钢比热镀锌钢的耐蚀性好。渗铝是提高耐海水腐蚀的方法之一。渗铝与未渗铝Q235钢在海水中的腐蚀数据见表8-73。

表8-73 渗铝与未渗铝Q235钢在海水中的腐蚀数据

3）耐高温腐蚀。渗铝层除了具有较高的抗高温氧化性能外，它还能提高钢的抗钒蚀和抗硫蚀的性能。因此，在解决燃气轮机叶的高温腐蚀问题时多采用渗铝工艺。表8-74是12Cr13等材料在渗铝与未渗铝两种情况下，在V₂O₅及Na₂SO₄介质中的氧化试验结果。渗铝是目前提高钢材耐硫化物腐蚀最有效的手段之一，特别是在高温硫化物介质中。试验证明，渗铝的碳钢和不锈钢无论是在含硫的氧化性气氛中，还是在高温硫化氢介质中，都显示了很好的耐蚀性。表8-75是碳钢在H₂S介质中的腐蚀对比。

表8-74 在V₂O₅及Na₂SO₄介质中的氧化试验结果 （单位：mg/m²）

注：1.表中数据为两个试样的平均值。在试样上涂抹等量的V₂O₅及Na₂SO₄粉末10mg。

2.“+”表示氧化增重，“-”表示氧化减重。

表8-75 碳钢在H₂S介质中的腐蚀对比