热镀铝工艺及性能研究

摘要:热镀铝生产工艺能在钢材表面形成一层保护膜，延缓钢材表面氧化的时间，提高钢材的使用寿命，本文就热镀铝工艺及性能进行阐述。

关键词:热镀铝；工艺；性能；应用

中图分类号：K826文献标识码： A

一、前言

为了延长钢材的使用寿命并提高其性能，在钢材表面进行镀铝，这样钢材就具有优良的耐腐蚀性能、耐氧化性能，通过各种性能的提升，拓宽了钢材的使用范围。目前，我国已经完全掌握了热镀铝生产技术和工艺。

二、热渡铝的相关机理

热渡铝时，感应加热电源在钢质工件表面产生的感应涡流，使钢质工件表面可在短时间内形成奥氏体化，并完成晶粒细化的过程，这有助于加速铝原子的扩散，有助于短时间内完成共晶铁铝合金的组织转变。同时，高频率变化的感应涡流，在钢质工件表面产生集肤效应，所述的集肤效应是指对于导体中的交流电流，靠近导体表面处的电流密度大于导体内部电流密度的现象。随着电流频率的提高，集肤效应使导体的电阻增大，电感减小。经推测感应加热产生的集肤效应可有效控制渗层深度。钢质工件的扩散渗铝在高温奥氏体区进行，铝原子的扩散速度，与温度以及其在奥氏体中的扩散路径有关。其他条件相同时，铝原子沿晶界的扩散速度远高于在晶粒内部的扩散速度。奥氏体晶粒越小，在单位体积内晶界总长度越大，铝原子的扩散就越容易。因此，在高温奥氏体化温度下，使钢基体仍保持细小的晶粒是加快渗铝速度的关键所在。奥氏体的晶粒大小与加热速度、高温停留时间、过热度ΔT等有关。加热速度越快，高温停留时间越短，过热度ΔT越大，晶粒就越细小。而感应电流加热正好满足上述的要求。在本发明中采用高频感应电流，在本工艺特定热渡渗铝条件下，可使钢材表面在短时间内迅速达到奥氏体化温度（980℃左右），与目前扩散型渗铝工艺相比，感应加热所得钢材表面晶粒度要大5～7个数量级。同时，感应电流的集肤效应，使得铝原子的扩散深度又限制在十几微米以内，大大的改善了渗铝钢的弯曲性能和冲压成型性能。感应加热时，温度梯度是自钢质工件向铝液方向，即试样表层温度高于铝液温度，渗层均是由垂直试样表面的柱状晶组成，无脆性的铁铝化合物层，因此没有表面脆性区。而电阻炉加热方式，温度梯度上述相反，因此，铝原子易在工件表面堆积，形成脆性区。

三、热镀铝工艺

热渡镀铝层主要由表面铝层、金属间化合物Fe2Al5层构成。热渡镀形成的金属间化合物层呈现为齿状结构并且渗入钢基体内部，化合物层渗入的深浅不一致，这主要是由于形成的Fe2Al5相具有特殊的晶格结构，在形成晶体之后，其主要沿着晶体主轴方向快速长大，使得其宏观形态呈现齿状。由于热渡镀铝过程中铁铝之间的渡润、相互扩散是铁铝化合物层形成的主要原因，借助菲克扩散定律对其进行分析，以其建立热渡镀铝过程中的铁铝扩散动力学方程。在渡镀时间比较短时，铁扩散至铝液中的量忽略不计，即认为在渡镀过程中，铝液始终为纯铝液；铝扩散至铁中的深度有限，即可认为扩散层厚度与试样自身厚度相比非常小，可以忽略不计。渡镀过程中，铝液中难溶的杂质在提取过程中有可能会附在表面铝层，形成夹杂，试样表面的铁原子会向外扩散，在富铝区域内形成FeAl3并在表面铝层中形成针状的形态。取表面铝层和金属间化合物层的分界线处某区域放大观察其界面形态，可以看到中间的物质并不与两侧相同，且界面并不连续光滑，呈齿状形态。热渡镀铝化合物层的厚度并不随时间的延长而呈线性增长，其生长规律具有特殊性。由于热渡镀铝化合物层主要由Fe2Al5相构成，并且Fe2Al5相的生长特性决定了镀层结合强度、镀层的耐热性等性能。FeAl3相只是分布在Fe2Al5相和表面铝层的过渡处，且厚度很小，在此忽略不计，近似将Fe2Al5相看作扩散层，故在此主要研究Fe2Al5相的生长规律。

四、热渡镀铝后工件的性能

1、力学性能

镀铝层非常薄,一般只有几十至几百微米厚。同时镀铝的碳钢大多数是低碳钢,热处理效应不明显,其基体组织在镀铝前后基本不变。所以镀铝钢的力学性能与未镀铝时基本相当。

2、抗氧化性能

在钢材的表面进行热度铝处理后，在钢材的表面形成一层致密的保护层，这种保护层能隔绝钢材表面和空气的接触，降低钢材表面氧化的概率。镀铝后的钢材有更好的使用性能，使用温度要比未镀铝钢提高200～300℃,例如，只能在500℃下使用的钢材，通过对钢材表面进行热度铝处理，钢材就能在800℃以下的温度长期使用，更好的能在1000℃左右的温度下使用。目前，很多科研机构在对热度铝的抗氧化性进行研究，在提高抗氧化时间、镀层厚度对抗氧化性的时间、镀层的类型对抗氧化性的影响等多个方面进行研究。从大量的试验数据和结果进行比较可以看出，镀铝层的抗氧化性是普通钢材抗氧化性的100多倍。通过对普通的钢材进行表面热镀锌处理能提高抗氧化的能力，耐热耐候钢表面进行热度铝处理也能提高抗氧化的作用，提高其使用性能。郝建堂对耐热钢进行了热渡镀铝试验,大量的试验结果表明，对耐热钢表面进行热度铝处理提高其抗氧化性能，其主要原因是在耐热钢的表面形成了含铝、含铬较高的表层，在表面也形成了一层致密的氧化膜，这样就能起到很好的保护作用。随着使用时间的延长，钢材中的原子也会不断的扩散，在微电解的情况下，合金层中的原子会不断的进行移动和扩散，这样在钢材的表面还能形成一层比较致密的氧化膜，仍然能起到很好的保护作用。

3、耐蚀性

铝钢镀层表面能够形成一层致密的具有自修复功能的Al2O3氧化膜保护层。在盐雾试验条件下，经过1500h后才出现大面积红锈。其耐盐雾腐蚀能力为镀锌板的10倍以上。将盐雾腐蚀后的镀铝钢钢板进行X射线衍射分析，其衍射图谱正面试样的主要物相为Si、NaCl、Al(OH)3、Al2SiO5、Al，Fe2Al5背面试样的主要物相为Al、Si、Al(OH)3、Fe2Al5。腐蚀产物Al(OH)3是胶状物质，比体积较大，在腐蚀过程中发生膨胀可以包裹腐蚀介质NaCl，阻止Cl−和O2等腐蚀介质向镀层表面扩散，从而抑制腐蚀。镀铝钢钢板表面经过一段时间的腐蚀后形成了一层果冻状的物质，与钢板表面结合较为紧密，保护了镀层，从而使镀铝钢钢板获得了优异的耐盐雾腐蚀性能。

4、对光和热的反射性

镀铝材料对光和热的反射能力与表面形成致密光泽的Al2O3膜有关,在500℃以下仍有很高的反射率,此时镀铝钢比不锈钢表面温度低近50℃,由于镀铝钢板的反射率高,用它做炉子的内衬时,在相同的条件下可以提高炉膛的温度,并提高炉子的热效率。

五、新型材料的发展

新型渗铝钢材料是在本工艺特定的热渡铝条件下，利用感应电流快速加热技术将铝元素在极短时间内渗透进钢铁表层，从而形成共晶态铁铝合金层和纯铝覆盖层。纯铝层决定了渗铝钢的耐候、耐蚀及对光（热）的反射等性能；共晶合金层则决定了渗铝钢材的耐热性、耐高温氧化性、耐磨性等性能。经感应电流加热快速热渡渗铝过程，新型渗铝钢表面呈现白色光泽，微观照片显示，其表面存在纯铝覆盖层和共晶铁铝合金层。这种新型渗层结构的优点有：

1、表面存在纯铝层，使得材料的耐候性、耐介质腐蚀能力大大提升；

2、电流快速加热过程，温度梯度是自钢质工件向铝液方向，即试样表层温度高于铝液温度，渗层均是由垂直试样表面的柱状晶组成，因此，没有表面脆性区；

3、680℃左右的快速热渡渗铝过程，可以细化钢基体表面的晶粒，材料不变形，材料最终力学性能未受到不良影响。新型渗铝钢材料与传统的热渡镀铝材料也有着本质的区别：热渡镀铝温度在700℃左右，该温度远低于钢材奥氏体化温度，不能形成共晶态的铁铝合金，因此，热镀铝钢材如果在高温使用必须经过传统的扩散渗铝过程。

六、结束语

随着当前经济的不断发展，人们对热镀铝技术和生产工艺提出了更高的要求，应用的范围也更加的广泛，在汽车、建筑、水利工程中都有使用。为了满足不同施工的需要，我们要不断的对生产工艺进行优化，提高热镀铝的各项性能。

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