本文介紹了高性能新型滲鋁鋼的生產工藝與原理，及其耐海洋氣候、海水腐蝕性能、焊接性能、機械性能，并結合其技術及產品性能優勢，分析并探究高性能新型滲鋁鋼在海洋平臺上的應用前景。

 

    文/陳學輝、劉鳳生、張宇軒 湖北交投四優鋼科技有限公司

 

    引言

 

    滲鋁是鋼鐵防護的有效措施之一，能顯著提高鋼鐵在強腐蝕和氧化介質中的耐蝕性以及材料的整體耐磨性。在鋼材表面形成涂覆鋁層的方法很多，目前只有熱浸鍍、擴散法和熱噴涂在生產上較為常用。熱浸鍍鋁是繼熱浸鍍鋅之后發展起來的一種高效防護鍍層。熱浸滲鋁技術在鋼材耐蝕、耐熱、耐磨領域具有極大的應用價值，但由于未能開發更為高效、節能的熱浸鋁生產設備以及傳統滲鋁鋼工藝的諸多技術難題，制約了熱浸滲鋁工藝的進一步推廣應用，也是該工藝自20世紀60年代傳入我國至今仍未得到大規模應用的關鍵問題所在。

 

    有鑒于此，湖北四優鋼科技有限公司針對目前熱浸滲鋁工藝在大規模推廣應用實踐中迫切需要解決的科學問題，開展了集熱浸鍍鋁層和擴散滲鋁層優越性能于一體的高性能新型滲鋁鋼材料設計， 研發了低能耗、高產值、環境友好的感應加熱快速熱浸滲鋁新工藝。以滿足鋼鐵材料防腐、抗高溫氧化、耐磨等性能需求的巨大領域。

 

    生產工藝流程及原理

 

    工藝流程

 

    目前普遍應用的低效率、高耗能的除油、除銹、助鍍、熱浸鍍鋁過程、擴散滲鋁過程的傳統滲鋁工藝，湖北交投四優鋼科技有限公司開發了更為高效、節能、環保的快速電化學酸洗工藝、“熱浸鋁+滲鋁一步到位法”的快速熱浸滲鋁工藝。具體工藝流程：鋼件除油-快速酸洗除銹-水洗-表面活化-助滲-烘干-高頻電流加熱快速熱浸滲鋁（或超音頻感應加熱快速熱浸滲鋁）

 

    工藝原理

 

    新型滲鋁鋼是經過一系列預處理工藝再經過電流補償熱浸滲鋁工藝后，使得鋼材表面具備了銀白色的純鋁層以及共晶態鐵鋁合金層，且不破壞母材物理性能的鋼件。當液態鋁接觸固態鐵時，形成冶金結合的必要條件是液態鋁對固態鐵發生浸潤和漫流的過程，隨即發生鐵原子的溶解和鋁原子的化學吸附過程，形成鐵鋁化合物， 以及鐵、鋁原子的擴散過程和合金層的長大過程。

 

    滲鋁鋼性能

 

    新型滲鋁鋼材料是集優良耐磨、耐蝕性、耐熱性于一體的高端金屬結構材料，其結合了熱浸型鍍鋁層及擴散型滲鋁層的優點，保留了鋼材的強度，即材料表面保留純鋁層（耐蝕層、光熱反射層） 與柱狀共晶態鐵鋁合金層（耐熱、耐磨層）。

 

    圖1為新型滲鋁鋼與老工藝鍍鋁鋼EDS及SEM像圖，老工藝滲鋁管件樣品，該鍍層以齒狀滲進鋼件中界面，但相對于上面兩張較為平整，平均滲層厚度為250微米，沒有形成梯度，外層以鋁為主，內層為鋼。新型滲鋁鋼管件樣品，白色管件鍍層以齒狀方式滲進鋼件中，平均厚度為150微米左右，并形成了成分梯度。其中外層為純鋁層，中間層為FeAl3，內部為鋼。
 

 

圖1 新型滲鋁鋼與老工藝鍍鋁鋼EDS及SEM像圖(a、老工藝鍍鋁，b、新型滲鋁)

 

    耐磨性

 

    新型滲鋁鋼表面晶態鐵鋁合金層和氧化鋁層的存在，使得滲鋁后鋼件表面硬度大大提高，材料的整體耐磨性得到增加，表1為20# 及A3鋼滲鋁后耐磨性比較。

表1 20#及A3鋼滲鋁前后耐磨性比較

 

    耐海洋氣候腐蝕性能

 

    其耐腐蝕性能的腐蝕環境：滲鋁鋼產品在大氣、土壤、海水、NH3、含S氣體、及弱酸性介質（PH4.5-8.5）耐腐蝕能力較普通結構鋼大幅提升。（根據相關國標做過檢測）

 

表2 滲鋅層與滲鋁層在海洋大氣腐蝕中的速率比較

    耐海水和淡水的腐蝕性能

 

    滲鋁鋼因表面有一層致密的氧化鋁層和鋁-鐵合金層，故其對海水、淡水、海水鹽霧等介質的防銹能力有顯著的提高。滲鋁鋼耐淡水和海水的腐蝕性能，國內外都做了大量的實驗驗證。據印度報道，滲鋁鋼在5%的NaCl溶液的鹽霧中，間歇噴淋的結果表明，滲鋁鋼比鍍鋅鋼的耐蝕性提高了4-10倍。蘇聯報道了滲鋁鋼在淡水人工海水中的腐蝕試驗結果，如圖所示：

圖2 滲鋁碳鋼和碳鋼在淡水和人造海水中的腐蝕

 

    新型滲鋁鋼的力學性能

 

    根據快速滲鋁的工藝不同，可以有效控制新型滲鋁鋼材料的滲層厚度和鋁覆蓋層的合金含量，已達到有關力學性能和耐蝕性的要求。

 

    由表3可見，通過控制滲鋁工藝參數，可以使普通輕型型鋼和薄壁管材滲鋁后的屈服強度可提高一倍以上，如Q235角鋼經過滲鋁后的強度可以超過Q420角鋼。
 

表4 新型滲鋁鋼的力學性能

 

    焊接性能

 

    目前市場上已有專門的滲鋁鋼焊條，而且其質量穩定可靠， 可用于滲鋁鋼與不銹鋼，滲鋁鋼與碳鋼，滲鋁鋼與滲鋁鋼之間的焊接，其焊縫的抗高溫氧化及抗蝕性能與滲鋁鋼本體相當，滲鋁鋼的焊縫抗拉強度大于等于550MPa。滲鋁鋼焊條可采用直流或交流焊機焊接，空載電壓不小于60V，直徑為3.2mm的焊條的電流為110- 120A。圖3原材料和滲鋁候焊機力學性能試驗，該焊接件基本達到了所需要求，與原件強度相當。

圖3 滲鋁鋼焊接件與未焊接件屈服強度

 

    耐海水沖蝕性能

 

    1979年H.V.Scaldwell 的研究認為，厚度為50-100μm的熱浸鍍層，其壽命在無污染的沿海地區約為9-18年，在有污染的沿海地區約為4-8年，在海水中約為2-4年。波蘭科學家A.Zielinski和B.Speicher于1986年公布的研究結果認為，熱浸鋁層是海洋大氣中的腐蝕速度是熱浸鋅層的十分之一。而在流動的海水中的二分之一，在靜止的海水中則與熱浸鋅層基本相同。80年代末瑞典科學家發表的其八年暴露試驗結果表明，在距海岸50m的海洋大氣環境中，Galvalume鍍層的耐蝕性是鋅鍍層的3-4倍。

 

    海水流速的變化會造成磨蝕。如果出現“空泡”現象，會發生空蝕，如螺旋推進器，下面羅列一些國內外學者的實測數據：

 

    在海洋平臺上的應用前景

 

    綜上所述，新型滲鋁鋼優異的耐腐蝕性能，使其在海洋工程領域具有較大潛力和無限前景，如船舶管道、甲板、排煙管、海水管路、黑灰管及海水凈化裝置等；海洋石油平臺上的石油鉆井管、高壓泥漿管、液壓管、海底輸油管道及鋼隔柵板。荷蘭早就使用熱浸鍍層鋼板制造船殼，效果良好。進入80年代后，Gal-valume鍍層和Galfan鍍層以其在海洋環境中的優異耐蝕性，在以上領域，正逐步取代鋅鍍層和鋁鍍層。

 

    新型滲英國東海岸的電氣化鐵路主干線便使用了1700t鍍鋁鋼材。與此同時，海岸的防護柵欄，用于海底通信電纜、輸電電纜的鎧裝鋼絲，用于海洋捕撈、海水養殖、海岸護堤的網及鋼絲繩，沿海高速公路、海上架橋、海上石油所需的板、帶材，艦船甲板及系船纜繩，海水管道及冷卻器，均大量采用鍍鋅和鍍鋁鋼材。

 

    結束語

 

    通過獨特的熱浸鋁工藝生產出具有優異的耐蝕性、耐熱性、反射性、耐磨性的新型滲鋁鋼。新型滲鋁鋼在海洋工程上具有良好的發展前景與應用價值；在石油勘探、開采、造船及碼頭機械、交通橋梁、通訊等領域也有廣泛的應用。迄今為止，滲鋁鋼是一種在解決海洋腐蝕問題上性價比最優的耐腐蝕材料。