| 渗铝钢的性能与焊接 |
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| 日期：2007-7-6 23:13:07 人气：110 [大 中 小] |
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前言
渗铝是金属材料表面化学热处理的一种方法，是把钢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。最常用的是热浸——扩散渗铝和固体粉末包埋渗铝两种方法。固体粉末包埋渗铝技术经过几十年的不断发展和完善，目前已非常成熟，世界上很多国家都将渗铝材料列入其有关标准和规范中。主要用于抗高温氧化和石油加工中有硫、硫化物及环烷酸腐蚀的工况下，如各种加热炉等炉管，热交换器管束、设备内件及管道。特别是日本、美国在石油化工、冶金，电力等行业有大量的应用。我国80年代后期在石化行业开始大量应用渗铝材料，以解决加工高硫、高酸值原油对设备的腐蚀问题。经过多年的研究和试用证明，碳钢渗铝防腐效果非常好，97年后大量用渗铝管制造冷换设备管束，并在加工、焊接方面积累了一定的经验。本文就固体粉末包埋方法加工的渗铝钢的性能及渗铝管换热器管束焊接问题谈谈自己的经验和体会。
一、固体粉末包埋渗铝方法、技术指标及渗层的组织
固体粉末包埋渗铝（以下简称：固体渗铝）方法是渗铝的最常用的渗铝方法之一，固体渗铝是将被渗工件和固体粉末渗剂，按一定要求装入一个特制的箱体内密闭，放进加热炉内按一定的要求加热、恒温、冷却。在加热和恒温过程中渗剂本身及与工件表面在箱内发生一系列的化学反应、使渗剂中的铝原子活化、从而将铝原子渗透（扩散）到工件表层基体内，在工件表层基体内形成一层铁铝合金的过程。
1、 渗铝钢的技术指标
渗层厚度： 0.10～0.20mm
渗层铝含量：15%～33%（wt）
渗层表面显微硬度：HV0.05280～500
2、渗层的组织
根据铁铝合金状态图，随着渗层中铝含量的增加、在渗层中依次出现铝在α铁中的固熔体、Fe3Al、Al4C3、FeAl 、
1） 渗层表面主要成FeAl 。
2） 第二层主要成份是Al4C3相，灰色棒状。
3） 第三层主要成份是Fe3Al。
4） 第四层Al在α铁中的固熔体、
5） 第五层为贫碳区。
7） 第六层为富碳区。
渗铝层分为以上六层仅为理论上的表述，在实际上有些层可能不存在、有些即使存在层间也没有明显界限。
二、固体渗铝钢的性能
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，对其材料的机械性能都会产生一些影响，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。定性上说渗铝对母材机械性能影响大小决定于渗层厚度与母材厚度的比值。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。
固体渗铝钢与非渗铝钢的力学试验结果对比（表1）
表1 国内外固体渗铝钢的力学试验结果
材料 抗拉强度（MPa）屈服强度（MPa）伸长度（%） 断面收缩率（%）
日本渗铝钢2 1/4 Cr-1Mo 493 279 28.1 58.5
2 1/4 Cr-1Mo（JIS标准） ≥412 ≥206 ≥24 －
渗铝钢20# 421 249 27 56.2
GB699-8820#标准值 ≥410.0 ≥245 ≥25 ≥55
注：20#试件，按GB228-87作的静拉伸试验。渗层厚度为0.15mm，表面渗层铝含量为23%。表面显微硬度为HV0.05386。
碳钢基体固体渗铝材料可以进行冷热成型，在冷态拉伸长度不超过8%，管材扩口不大于3%，在加热到760℃以上时拉伸不超过25%时不影响渗层质量。
2、抗腐蚀性能
固体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两个方面：一是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。另一方面在有电解质介质腐蚀的工况下渗铝层作为一个大阳极首先腐蚀，从而有效保护基体继续腐蚀。
当碳钢表面渗铝层的铝含量大于15%（wt）时、在240℃以上、含硫量大于0.5%或酸值大于0.5mgKOH/g介质中，其耐蚀性能是相同工况下18-8级普通不锈钢的三倍以上，其耐蚀性能可代替316L，特别是在H2S和RCOOH（环烷酸）共同腐蚀的工况下，渗铝钢的耐腐性是无法比拟的。在120℃以下各类硫化氢为主的腐蚀介质中，如H2S-NH3-H2O、HCN-H2S-H2O，CO2-H2S-H2O、RNH2- CO2-H2S-H2O、H2S-H2O等，渗铝钢同样优于铬钢、铬钼钢和奥氏体不锈钢。且渗铝钢不会发生应力腐蚀和晶间腐蚀开裂和氢鼓包等问题。
3、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。
下面是不同材料在不同温度下的氧化实验数据：（表2）
表2 常用钢材渗铝前后的开始氧化温度
钢 种 母 材 ℃ 渗 铝 后 ℃
低 碳 钢 570 1000
铸 铁 600 900
含铬铸铁（Cr 1.5） 650 950
Cr13钢 750 1150
Cr18Ni 9钢 950 1250
Cr25Ni 20钢 1200 1300
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。渗铝管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。
三、固体渗铝钢的焊接
固体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，固体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 |
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| 出处：本站原创 作者：佚名 | |
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