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      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

      2020-03-26 07:01:18李國喜陳樹忠
      硫酸工業(yè) 2020年1期
      關(guān)鍵詞:鋁層金相級(jí)別

      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)。

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