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热浸铝钢铁制品的抗腐蚀性能

整体热浸镀铝换热器可彻底解决高硫油的腐蚀问题

摘要 通过显微硬度和浸泡副食对热浸铝钢件的结合力和腐蚀性能进行了分析。热浸铝镀层是有AL层和高硬度的金属间化合物说组成的复合涂层,结合紧密。热浸铝镀层的高抗腐蚀性能是由于AL层和金属间化合物急易形成稳定的AL2O3保护膜。在PH =2的NaHSO3溶液中浸泡144小时(6天)后,钢一 件的热浸铝试件副食速度的比值最高可达6.8倍,热浸铝制品的副食寿命在裸钢的7.8倍以上。

1. 热浸铝的工艺

钢铁材料在一定温度的铝或铝合金溶液中浸渍适当的时间后冷却,然后在钢铁制品的表面形成铝层——合金化(金属间化合物)的化学热处理过程。钢铁制品通过热浸铝达到对钢铁制品的表面改性,获得梯度材料,从而使得热浸铝的钢铁制品不仅保持钢材所拥有的良好机械性能,而且具有优良的抗大气腐蚀、抗溶液腐蚀的特点。

热浸铝后,通常在钢铁制品表面形成0.04~0.07mm的镀层。在铝和钢铁基体之间形成金属间化合物的过渡层是保证镀层综合性能的重要因素,这取决于铝熔液的温度和浸渍的时间。

2. 热浸铝的结构

钢铁制品在较高温度的铝液中经过适当时间的处理,AL原子向奥氏体中扩散形成固溶体,在随后的冷却过程中钢从奥氏体转变为铁素体。由于溶解度的限制,扩散层所形成的Fe-AL固溶体奥氏体在向铁素体转变的同时,形成金属间化合物Fe3AL.、FeAL。因此,钢铁制品在人进率后表面层的结构依次为AL——FeAL——Fe3AL——Fe(基体),见图1。

3. 由于金属间化合物具有很高的硬度,因而在AL 和钢铁基体之间形成的Fe3AL、FeAL层可提高钢铁制品的表面硬度和耐磨性;同时形成的金属间化合物具有很高的稳定性以提高抗腐蚀性。

在AL和钢铁基体之间形成的Fe3AL、FeAL金属化合物过度层,使得Fe和AL之间达到原子之间的结合,原子之间靠金属键紧密的联系在一起,见图2。镀层和钢铁基体的结合力很高,不象其他的镀层(如电镀层、涂覆层等)靠机械、物理、化学吸附在一起。因此,热浸铝镀层附着良好,抗剥离性极强。

4.镀层硬度

采用显微硬度测定了热浸铝镀层不同深度对应的显微硬度HM。所选择的实验载荷为50g,从镀层表面(AL层)向钢的基体测定,不同深度时测定的显微硬度结果列于表1中。
表1 从镀层表面开始不同深度的显微硬度

距表面距离(μm) 0 23 33 46 65 82 103 125 基体
HM(kg/mm2) 320 927 927 766 918 927 412 220 286

图3中给出了从热浸铝钢表面至钢基体显微硬度的变化。由图3可见,表面AL层的硬度较低,厚度在23μm以内,想里为金属间化合物层硬度很高,厚度在59μm以内,所以镀层厚度约在82μm以内。在镀层和钢基体之间硬度较低。

5.镀层的抗腐蚀性

5.1 热浸铝镀层的抗腐蚀机理

热浸铝镀层是由低硬度的AL 层和高硬度的金属间化合物组成的多层结构。

AL层的耐腐蚀性基本上取决于在给定环境中铝上所形成的保护膜AL2O3的稳定性。铝是电位非常负的金属,其标准电极电位为-1.67V。但由于铝的钝化性能很强,它在水中、大部分的中性、弱酸性溶液中以及大气中豆油足够的稳定性,足以形成高抗腐蚀性的AL2O3保护膜。

Fe3AL是一种具有应用前景的高温材料。它在800℃H2S-H2-H2O(g)中具有较好的抗腐蚀性能;在SO2气氛中960℃以下也具有较好的抗腐蚀性能。Fe3AL的高抗腐蚀性主要归结于形成稳定的保护膜AL2O3。

在热浸铝镀层紧靠AL层的一侧通常会形成FeAL的金属间化合物,该化合物的抗腐蚀性能与AL和Fe3AL的抗腐蚀性能机理相同。

AL层和Fe3AL的电极电位较负,实验测定了从表面AL层开始热浸铝镀层在标准ASTM溶液3.5%NaCl中性溶液中的电极电位(相对于饱和甘汞电极SCE),镀层的电极电位较负,在-772~-747mV范围,见图4。

综合以上分析的结果可见,热浸铝镀层的高抗腐蚀性能主要是形成稳定的的保护膜Al2O3.。

5.2 热浸铝镀层抗腐蚀性能的对比结果

对比腐蚀试验的方法采用溶液浸泡实验。

所选择的腐蚀溶液为亚硫酸钠的酸性溶液(PH=2),采用HCI调整PH值到2。NaHSO3是强的除氧剂,可大大地降低水中的溶解氧含量,其水溶液呈酸性,PH值约为4.6,对一般钢的腐蚀速率为11mm/a, 选择该溶液的目的为,一方面该浸泡溶液对钢的腐蚀及其严重,可缩短实验时间;另一方面,NaHSO3溶液中的溶解氧很微,比普通水溶液的含氧量要低得多,这样可以阻止热浸铝镀层保护膜Al2O3.的形成。

热浸铝镀层试件在PH=2的NaHSO3溶液中浸泡144小时(6天),测量镀层厚度微39μm,在镀层和钢基体之间产生选择腐蚀形成一腐蚀沟槽,见图5。

热浸铝镀层试件和对比试件表面显微观察表明,热浸铝镀层表面光滑,,无腐蚀产物形成见图6。由于热浸铝试件浸泡时没有对裸露的钢材部分进行密封绝缘,AL层和裸露的钢材部分形成电偶电池,AL 层的腐蚀很快。图6中给出的是金属间化合物的腐蚀形态,浸泡144小时测得的金属间化合物的厚度约为39μm,比未腐蚀时由硬度法确定的59μm以下较为符合。对比的钢试件浸泡144小时后,试件表面形成较厚的黑色腐蚀产物,清楚腐蚀产物后试件表面腐蚀不均匀,大部分产生腐蚀坑见图7。

对在PH=2的NaHSO3溶液中浸泡144小时(6天)后热浸铝试件和对比钢的腐蚀速率进行测定。将测定试件厚度(或最大腐蚀深度)的变化量转换为腐蚀速率,腐蚀144小时的结果见表2。可见对比钢的腐蚀速率(最大点腐蚀)是热浸铝镀层的6.8倍,对比钢均匀的腐蚀速率是热浸铝镀层的3.3倍。

表2钢和热浸铝镀层浸泡144小时腐蚀速率与对比的结果

腐蚀速率V(mm/a) Vst/VAL
均匀腐蚀 点腐蚀 均匀腐蚀 点腐蚀
钢件(St) 2.8 5.94 3.3 6.8
热浸铝件(AL) 0.87

应该指出,评价所选用的腐蚀介质地热浸铝是十分苛刻的,溶液中氧含量很微,可见热浸铝镀层仍能充分的钝化,形成稳定的保护膜,保持高的抗腐蚀性能。评价所采用的腐蚀速率测定方法是采用千分尺(精度为1μm),通过测定试件尺寸的变化确定腐蚀速率。若采用失重法,则热浸铝的抗腐蚀性将更高,Vst/VAL的值会更高,因此不同方法所测的结果有较大的差别。表2中给出的是腐蚀144小时的结果,随着浸泡时间的增加Vst/VAL值还会提高。

6.结论

1)热浸铝镀层是由AL层和高硬度的金属间化合物所组成的复合涂层,结合紧密。

2)热浸铝镀层的高抗腐蚀性能是由于AL层和金属间化合物极易形成稳定的AL2O3保护膜,即使在用化学方法除氧的溶液中也足以钝化。

3)在PH=2的NaHSO3溶液中浸泡144小时(6天),钢试件和热浸铝试件腐蚀副率的比值最高可答6.8倍,热浸铝制品的腐蚀寿命在裸钢的7.8倍以上。

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鞍山市银马热熔浸铝有限公司
2003年5月


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