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滲鋁使一種或多種金屬原子滲入金屬工件表層內的化學熱處理工藝。

1概況

aluminize;alumetize 或者calorizing
日語名稱:カロライジング
常用的滲鍍品種之一,欲滲入的元素為
被滲鍍的材料可以是碳鋼、不鏽鋼、鎳基合金和鈷基合金等。
滲鋁的方法有固體粉末滲鋁、熱浸滲鋁、料漿滲鋁、氣體滲鋁、噴鍍滲鋁、快速電加熱滲鋁等多種。
滲鋁工藝已在煉油、冶金、化工等方面得到廣泛應用。
滲鋁層有良好的抗高溫氧化性,耐大氣、海水、工業循環水、耐高溫硫化物腐蝕和防止鋼材的應力腐蝕破裂等優良性能。

2說明

滲鋁使一種或多種金屬原子滲入金屬工件表層內的化學熱處理工藝。將金屬工件放在含有滲入金屬元素的滲劑中,加熱到一定溫度,保持適當時間后,滲劑熱分解所產生的滲入金屬元素的活性原子便被吸附到工件表面,並擴散進入工件表層,從而改變工件表層的化學成分、組織和性能。與滲非金屬相比,金屬元素的原子半徑大,不易滲入,滲層淺,一般須在較高溫度下進行擴散。金屬元素滲入以後形成的化合物或鈍化膜,具有較高的抗高溫氧化能力和抗腐蝕能力,能分別適應不同的環境介質。
滲金屬的方法主要有固體法(如粉末包裝法、膏劑塗滲法等)、液體法(如熔鹽浸漬法、熔鹽電解法、熱浸法等)和氣體法。金屬元素可單獨滲入,也可幾種共滲,還可與其他工藝(如電鍍、噴塗等)配合進行複合滲。生產上應用較多的滲金屬工藝有:滲鋁、滲鉻、滲鋅、鉻鋁共滲、鉻鋁硅共滲、鈷(鎳、鐵)鉻鋁釩共滲、鍍鉭后的鉻鋁共滲、 鍍鉑(鈷)滲鋁、 滲層夾嵌陶瓷、鋁-稀土共滲等。
滲鋁  鋼鐵和鎳基、鈷基等合金滲鋁后,能提高抗高溫氧化能力,提高在硫化氫、含硫和氧化釩的高溫燃氣介質中的抗腐蝕能力。為了改善銅合金和鈦合金的表面性能,有時也採用滲鋁工藝。
滲鋁的方法很多。冶金工業中主要採用熱浸、靜電噴塗或電泳沉積后再進行熱擴散的方法,大量生產滲鋁鋼板、鋼管、鋼絲等。靜電噴塗或電泳沉積后,必須經過壓延或小變形量軋制,使附著的鋁層密實后再進行擴散退火。熱浸鋁可用純鋁浴,但更普遍的是在鋁浴中加入少量鋅、鉬、錳、硅,溫度一般維持在670℃左右,時間是10~25分。機械工業中應用最廣的是粉末裝箱法,滲劑主要由鋁鐵合金(或純鋁、氧化鋁)填料和氯化銨催化劑組成。

3用途

滲鋁主要用於化工、冶金、建築部門使用的管道、容器,能節約大量不鏽鋼和耐熱鋼。在機械製造部門,滲鋁的應用範圍也不斷擴大。低碳鋼工件滲鋁后可在780℃下長期工作。在900~980℃環境中,滲鋁件的壽命比未滲鋁件顯著提高。18-8型不鏽鋼和鉻不鏽鋼滲鋁后,在594℃硫化氫氣氛中,抗腐蝕能力比未滲鋁的大大增加。760℃ 時在含鉛燃料燃燒產物的腐蝕下工作的汽車排汽閥,或是在900℃下工作的燃氣輪機葉片,滲鋁后的腐蝕抗力都有明顯增加。
滲鉻  碳素鋼和合金鋼(包括耐熱鋼和高溫合金)在滲鉻后,可提高耐蝕、耐磨和抗高溫氧化性能。
滲鉻主要有粉末法、氣體法和熔鹽法,其中以粉末法在工業上應用較多。粉末滲劑由鉻粉、鹵化銨和氧化鋁組成。滲鉻溫度1000~1100℃,保溫時間一般為4~8小時。滲鉻后的鎳基合金,在850℃時有相當高的抑制硫化物腐蝕的能力,可用於燃汽輪機葉片等零件。滲鉻后的熱鍛模和噴絲頭等耐磨性提高,使用壽命成倍增加。許多與水、油或石油接觸的部件都採用滲鉻處理,以抵抗多種介質的腐蝕。滲鉻后的鋼件還可代替不鏽鋼用於各種醫療手術器械和奶製品加工器件。
滲鋅  工件滲鋅后可提高抗大氣腐蝕能力。這是因為鋅比鐵更顯正電性,在腐蝕介質中鋅首先被腐蝕,使基體受到保護。工業上多採用粉末滲鋅,即以鋅粉作為滲劑,也有加惰性或活性材料的,一般在380~400℃下進行,通常保溫2~4小時。熱浸滲鋅是將工件浸入400~500℃的熔融純鋅中,擴散滲入。滲鋅層與基體有良好的結合力,厚度均勻,適用於形狀複雜的工件,如作為帶有螺紋、內孔等的工件的保護層。碳鋼滲鋅已用於緊固件、鋼板、彈簧、電台和電視台天線等產品。

4化學作用

共滲和複合滲  兩種以上金屬元素的原子依次滲入或同時滲入的化學熱處理方法。有時也採用鍍-滲、噴-滲、鍍-噴-滲、電泳-滲等化學熱處理工藝與其他工藝相配合的方法。共滲或複合滲可以使工件獲得較單一擴散保護層優越的性能,以滿足航空、航天和其他動力工業對機械零件的特殊要求。例如,鉻鋁共滲件有良好的抗含硫燃氣腐蝕和抗高溫氧化性能;鉻鋁硅共滲能得到較滿意的抗氧化、抗高溫腐蝕的綜合性能。又如,耐熱合金在高溫下使用時,其表面擴散保護層與基體之間有相互擴散作用,能使表面層合金含量降低,喪失保護作用。為解決這一問題,可採用先滲鉭(或鉻-鉭),然後再滲鋁或鉻鋁、鎳(鈷)鋁等共滲,也可採用鍍鉑(鈷)后滲鋁。
滲層夾嵌陶瓷,如滲鋁將二氧化鈦、三氧化二鋁陶瓷微粒夾嵌在滲層內的滲鋁夾嵌陶瓷,可改善抗高溫氧化性能和抗起皮性能,增加抗硫蝕、抗沖蝕的能力。
如果在滲劑中加稀土元素可顯著地改善滲層的抗硫化物的腐蝕性能。
氣相沉積  氣相沉積是在鋼、鎳基合金、鈷基合金和硬質合金表面建立金屬碳化物、氮化物、硼化物和複合化合物等覆蓋層的現代方法。覆蓋方法大致分為化學氣相沉積和物理氣相沉積兩種。化學氣相沉積的處理溫度一般在1000℃以上。通常,在工模具、高速鋼和硬質合金刀具的表面覆蓋一層碳化鈦或氮化鈦,可使使用壽命提高數十倍。化學氣相沉積形成的覆蓋層在沉積過程中可以有一二種元素擴散進入基體金屬而形成過渡層,提高結合力,但由於處理溫度高,工件易畸變,同時氣氛中含氯化氫多,容易污染大氣。物理氣相沉積是承襲化學氣相沉積提高表面性能的優點,克服高溫等缺點而發展起來的,主要有真空蒸鍍、真空濺射和離子鍍等方法。物理氣相沉積的共同特點是用高能密度的鍍覆粒子撞擊工件,釋放的能量使工件發熱,但一般不超過600℃,故畸變小。根據需要,沉積層厚度為1~150微米,一般為5~15微米。 物理氣相沉積比化學氣相沉積優越之處在於溫度低(如空心陰極放電蒸鍍,工件溫度甚至不超過300℃)、畸變小,無氫脆,但設備比較複雜,而且與基體金屬的結合力尚嫌不足。

5工藝發展

老工藝在技術上存在如下問題:
1) 熱浸溫度高、時間長,鋼件的晶粒急劇長大,降低了鋼件的機械強度和韌性;
2) 熱浸鋁過程中,鐵原子在鋁液中的溶解速度加快,形成大量沉渣,污染鋁液,影響滲鋁質量,也降低了坩堝的使用壽命,導致生產成本增加;
3) 鋼件前處理要求十分嚴格,助滲液不穩定,批量生產中,滲鋁鋼質量難以控制,表面易於出現漏滲、虛滲、針孔與剝離現象;
4) 工件表面光潔度差,易於粘附氧化渣;
5) 滲件衝壓加工性能極差;
6) 降低了加工部件的耐腐蝕和各種介質腐蝕。由於長時間的高溫擴散過程,僅剩一層灰黑色的鋁鐵合金層,大大降低了原有的機械性能。
新技術從根本上克服了老工藝的上述問題:
1) 復方助滲劑相當穩定,對前處理要求不十分嚴格,易於實現連續的工業化產,滲件表面極少出現漏滲、假滲弊端,有效地控制了滲層厚度和表面光潔度,最大程度地減少了針孔,解決了低溫剝離難題。
2) 通過控制加熱速度來控制滲層中鋁的含量、相對成分和滲層組織,消除了表面脆性區,增加了滲鋁層的承受變形能力和抗疲勞性能。
3) 由於在極短的時間內完成滲鋁全過程,無需再作擴散處理,所以滲鋁鋼可在高溫使用過程中實現自擴散,其外表緻密的銀白色氧化鋁保護層、純鋁層及鐵鋁合金層,對鋼件構築起了三重複合保護屏障,產品性能獲得質的提高。
4)高頻電流的集膚效應作用,凈化了鋁液,可增強滲鋁鋼表面的光澤度。
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