本文介绍了高性能新型渗铝钢的生产工艺与原理，及其耐海洋气候、海水腐蚀性能、焊接性能、机械性能，并结合其技术及产品性能优势，分析并探究高性能新型渗铝钢在海洋平台上的应用前景。

 

    文/陈学辉、刘凤生、张宇轩 湖北交投四优钢科技有限公司

 

    引言

 

    渗铝是钢铁防护的有效措施之一，能显著提高钢铁在强腐蚀和氧化介质中的耐蚀性以及材料的整体耐磨性。在钢材表面形成涂覆铝层的方法很多，目前只有热浸镀、扩散法和热喷涂在生产上较为常用。热浸镀铝是继热浸镀锌之后发展起来的一种高效防护镀层。热浸渗铝技术在钢材耐蚀、耐热、耐磨领域具有极大的应用价值，但由于未能开发更为高效、节能的热浸铝生产设备以及传统渗铝钢工艺的诸多技术难题，制约了热浸渗铝工艺的进一步推广应用，也是该工艺自20世纪60年代传入我国至今仍未得到大规模应用的关键问题所在。

 

    有鉴于此，湖北四优钢科技有限公司针对目前热浸渗铝工艺在大规模推广应用实践中迫切需要解决的科学问题，开展了集热浸镀铝层和扩散渗铝层优越性能于一体的高性能新型渗铝钢材料设计， 研发了低能耗、高产值、环境友好的感应加热快速热浸渗铝新工艺。以满足钢铁材料防腐、抗高温氧化、耐磨等性能需求的巨大领域。

 

    生产工艺流程及原理

 

    工艺流程

 

    目前普遍应用的低效率、高耗能的除油、除锈、助镀、热浸镀铝过程、扩散渗铝过程的传统渗铝工艺，湖北交投四优钢科技有限公司开发了更为高效、节能、环保的快速电化学酸洗工艺、“热浸铝+渗铝一步到位法”的快速热浸渗铝工艺。具体工艺流程：钢件除油-快速酸洗除锈-水洗-表面活化-助渗-烘干-高频电流加热快速热浸渗铝（或超音频感应加热快速热浸渗铝）

 

    工艺原理

 

    新型渗铝钢是经过一系列预处理工艺再经过电流补偿热浸渗铝工艺后，使得钢材表面具备了银白色的纯铝层以及共晶态铁铝合金层，且不破坏母材物理性能的钢件。当液态铝接触固态铁时，形成冶金结合的必要条件是液态铝对固态铁发生浸润和漫流的过程，随即发生铁原子的溶解和铝原子的化学吸附过程，形成铁铝化合物， 以及铁、铝原子的扩散过程和合金层的长大过程。

 

    渗铝钢性能

 

    新型渗铝钢材料是集优良耐磨、耐蚀性、耐热性于一体的高端金属结构材料，其结合了热浸型镀铝层及扩散型渗铝层的优点，保留了钢材的强度，即材料表面保留纯铝层（耐蚀层、光热反射层） 与柱状共晶态铁铝合金层（耐热、耐磨层）。

 

    图1为新型渗铝钢与老工艺镀铝钢EDS及SEM像图，老工艺渗铝管件样品，该镀层以齿状渗进钢件中界面，但相对于上面两张较为平整，平均渗层厚度为250微米，没有形成梯度，外层以铝为主，内层为钢。新型渗铝钢管件样品，白色管件镀层以齿状方式渗进钢件中，平均厚度为150微米左右，并形成了成分梯度。其中外层为纯铝层，中间层为FeAl3，内部为钢。
 

 

图1 新型渗铝钢与老工艺镀铝钢EDS及SEM像图(a、老工艺镀铝，b、新型渗铝)

 

    耐磨性

 

    新型渗铝钢表面晶态铁铝合金层和氧化铝层的存在，使得渗铝后钢件表面硬度大大提高，材料的整体耐磨性得到增加，表1为20# 及A3钢渗铝后耐磨性比较。

表1 20#及A3钢渗铝前后耐磨性比较

 

    耐海洋气候腐蚀性能

 

    其耐腐蚀性能的腐蚀环境：渗铝钢产品在大气、土壤、海水、NH3、含S气体、及弱酸性介质（PH4.5-8.5）耐腐蚀能力较普通结构钢大幅提升。（根据相关国标做过检测）

 

表2 渗锌层与渗铝层在海洋大气腐蚀中的速率比较

    耐海水和淡水的腐蚀性能

 

    渗铝钢因表面有一层致密的氧化铝层和铝-铁合金层，故其对海水、淡水、海水盐雾等介质的防锈能力有显著的提高。渗铝钢耐淡水和海水的腐蚀性能，国内外都做了大量的实验验证。据印度报道，渗铝钢在5%的NaCl溶液的盐雾中，间歇喷淋的结果表明，渗铝钢比镀锌钢的耐蚀性提高了4-10倍。苏联报道了渗铝钢在淡水人工海水中的腐蚀试验结果，如图所示：

图2 渗铝碳钢和碳钢在淡水和人造海水中的腐蚀

 

    新型渗铝钢的力学性能

 

    根据快速渗铝的工艺不同，可以有效控制新型渗铝钢材料的渗层厚度和铝覆盖层的合金含量，已达到有关力学性能和耐蚀性的要求。

 

    由表3可见，通过控制渗铝工艺参数，可以使普通轻型型钢和薄壁管材渗铝后的屈服强度可提高一倍以上，如Q235角钢经过渗铝后的强度可以超过Q420角钢。
 

表4 新型渗铝钢的力学性能

 

    焊接性能

 

    目前市场上已有专门的渗铝钢焊条，而且其质量稳定可靠， 可用于渗铝钢与不锈钢，渗铝钢与碳钢，渗铝钢与渗铝钢之间的焊接，其焊缝的抗高温氧化及抗蚀性能与渗铝钢本体相当，渗铝钢的焊缝抗拉强度大于等于550MPa。渗铝钢焊条可采用直流或交流焊机焊接，空载电压不小于60V，直径为3.2mm的焊条的电流为110- 120A。图3原材料和渗铝候焊机力学性能试验，该焊接件基本达到了所需要求，与原件强度相当。

图3 渗铝钢焊接件与未焊接件屈服强度

 

    耐海水冲蚀性能

 

    1979年H.V.Scaldwell 的研究认为，厚度为50-100μm的热浸镀层，其寿命在无污染的沿海地区约为9-18年，在有污染的沿海地区约为4-8年，在海水中约为2-4年。波兰科学家A.Zielinski和B.Speicher于1986年公布的研究结果认为，热浸铝层是海洋大气中的腐蚀速度是热浸锌层的十分之一。而在流动的海水中的二分之一，在静止的海水中则与热浸锌层基本相同。80年代末瑞典科学家发表的其八年暴露试验结果表明，在距海岸50m的海洋大气环境中，Galvalume镀层的耐蚀性是锌镀层的3-4倍。

 

    海水流速的变化会造成磨蚀。如果出现“空泡”现象，会发生空蚀，如螺旋推进器，下面罗列一些国内外学者的实测数据：

 

    在海洋平台上的应用前景

 

    综上所述，新型渗铝钢优异的耐腐蚀性能，使其在海洋工程领域具有较大潜力和无限前景，如船舶管道、甲板、排烟管、海水管路、黑灰管及海水净化装置等；海洋石油平台上的石油钻井管、高压泥浆管、液压管、海底输油管道及钢隔栅板。荷兰早就使用热浸镀层钢板制造船壳，效果良好。进入80年代后，Gal-valume镀层和Galfan镀层以其在海洋环境中的优异耐蚀性，在以上领域，正逐步取代锌镀层和铝镀层。

 

    新型渗英国东海岸的电气化铁路主干线便使用了1700t镀铝钢材。与此同时，海岸的防护栅栏，用于海底通信电缆、输电电缆的铠装钢丝，用于海洋捕捞、海水养殖、海岸护堤的网及钢丝绳，沿海高速公路、海上架桥、海上石油所需的板、带材，舰船甲板及系船缆绳，海水管道及冷却器，均大量采用镀锌和镀铝钢材。

 

    结束语

 

    通过独特的热浸铝工艺生产出具有优异的耐蚀性、耐热性、反射性、耐磨性的新型渗铝钢。新型渗铝钢在海洋工程上具有良好的发展前景与应用价值；在石油勘探、开采、造船及码头机械、交通桥梁、通讯等领域也有广泛的应用。迄今为止，渗铝钢是一种在解决海洋腐蚀问题上性价比最优的耐腐蚀材料。