助鍍劑對304不銹鋼熱浸鍍Al–x%Si–0.5%RE鍍層的影響

姜峰，劉祥玲，索忠源，呂海波

（吉林化工學院機電工程學院，吉林 吉林 132022）

熱浸鍍鋁技術是將鋼鐵浸入到熔融的鋁液中保溫一定時間之后，使鋁液在其表面進行相互擴散，從而在基材表面得到合金層[1-2]。熱浸鍍鋁后，鋼材表面的耐熱性和耐磨性可顯著提高[1,3-7]。當前石油化工、電廠行業中的過熱器管線及換熱器管線大多采用304不銹鋼，由于輸送的是高溫高壓流體和氣體，因此在服役過程中，管線內壁易出現腐蝕、沖蝕、減薄、開裂等缺陷，最終導致出現“跑、冒、滴、漏”現象，嚴重時造成事故發生。采用低成本、無毒、環保的鍍鋁工藝在304不銹鋼管線內、外表面形成致密、耐蝕、耐磨、抗高溫的鍍層，可提高管線在高溫介質下的服役周期，降低更換成本。在熱浸鍍鋁過程中，助鍍是較為關鍵的步驟，若無合適的助鍍劑，將無法獲得連續、致密的鍍鋁層。當前，助鍍劑的研究主要集中在以ZnCl2、NH4Cl、NaCl、K2ZrF6等鹽溶液為主的配方上[8]，關于上述助鍍劑的成分選擇和應用工藝方面還有待進一步探索。本文研究了不同助鍍劑成分對304不銹鋼熱浸鍍Al–x%Si–0.5%RE(x= 1, 3,6, 9)鍍層的影響，為304不銹鋼管線熱浸鍍鋁的實際應用提供理論依據。

1 實驗

1.1 材料

采用工業純鋁(99.7%)、結晶硅(99.5%)、Al–10%RE中間合金配制成Al–x%Si–0.5%RE鍍鋁液。助鍍劑成分有 3 種：(1)15% NH4Cl + 35% ZnCl2；(2)25% NH4Cl + 25% ZnCl2；(3)20% NH4Cl + 30% ZnCl2。

1.2 實驗方法及過程

用鋼鋸將304不銹鋼材料割成尺寸約為10 mm × 10 mm × 5 mm的試樣，隨后在砂輪、砂紙上打磨，再在其端部嵌上一定長度的不銹鋼絲，接著進行前處理：水洗→堿洗(20 g/L Na2SiO3+ 30 g/L Na2CO3+ 10 g/L NaOH，80 °C，10 min)除油→水洗(70 °C)→酸洗除銹[15%(體積分數)鹽酸，室溫，5 min]→水洗(70 °C)→助鍍(分別采用上述3種不同助鍍液，在90 °C處理15 min)→水洗→無水乙醇清洗→烘干。

浸鍍鋁合金的熔煉：首先按化學成分進行原材料配比并稱重，將每批稱好的工業純鋁塊與結晶硅顆粒一同放在石墨坩堝底部，然后置于SG2-5-10型井式電阻爐中升溫至780 °C左右，保溫4 ～ 5 h，使合金中的硅顆粒充分溶解到鋁合金液中。待硅顆粒溶解后，用鐘罩將Al–10%RE中間合金壓入合金熔體并保溫20 min，之后取出石墨坩堝，用C2Cl6(添入量為所熔煉合金質量的0.5%)對合金熔體進行精煉、除氣、除渣。接著再把坩堝放入電阻爐中，將預浸鍍鋁試樣垂直放入鍍鋁液中進行浸鍍，溫度740 °C，保溫10 min。將浸鍍后的試樣(如圖1所示)放入JK-SX2-12-10N型箱式電阻爐中進行擴滲處理。擴滲工藝條件為：620 °C × 2 h + 820 °C × 5 h。最后取出試樣進行金相試樣制備，在TX-400V型金相顯微鏡下對浸鍍擴滲后的試樣鍍層進行觀察和拍照，用 JSM-6490LV型掃描電鏡(SEM)進行組織形貌觀察，又用RIGAKU公司的D/max-rA型X射線衍射儀(12 kW，CuKα輻射，波長1.540 5 nm)分析鍍層的相結構及組成。

圖1 304不銹鋼試樣熱浸鍍鋁后的外觀Figure 1 Appearance of hot-dip aluminized 304 stainless steel samples

2 結果與討論

2.1 不同助鍍劑對鍍層厚度的影響

從圖2可看出，在使用15% NH4Cl + 35% ZnCl2助鍍的情況下，當硅含量增大到6%時，鋁鍍層厚度達到最大值，約為110 μm；在采用20% NH4Cl + 30% ZnCl2助鍍的情況下，當硅含量9%時，鋁鍍層厚度顯著增大，平均值達到210 μm；經25% NH4Cl + 25% ZnCl2助鍍后，鍍層厚度也是在硅含量為6%時最大，為250 μm左右，比采用其他助鍍劑成分都要大。

圖2 助鍍劑對304不銹鋼熱浸鍍Al–x%Si–0.5%RE鍍層厚度的影響Figure 2 Effects of different fluxes on thickness of hot-dip Al–x%Si–0.5%RE coating on 304 stainless steel

2.2 不同助鍍劑對鍍層截面形貌的影響

從圖3a中可明顯看出，采用15% NH4Cl + 35% ZnCl2助鍍時，鍍鋁層與基體之間的結合面呈曲線形，當Si含量為3%時，鍍層與基體界面出現局部分層。用20% NH4Cl + 30% ZnCl2助鍍的情況下，如圖3b所示，在硅含量為1% ～ 3%的熱浸鍍鋁液中得到的鍍層與基體的結合面較為平直，而當Si含量為6% ～ 9%時，鍍層與基體的結合面呈鋸齒形，其鍍層厚度出現明顯的不均勻現象。圖3c顯示，經過25% NH4Cl +25% ZnCl2助鍍后，從不同成分的浸鍍液得到的鍍層界面與基體的結合面較為平滑，呈直線形分布，且Si含量為6%時鍍層厚度分布最均勻，無分層和不連續的現象。

圖3 分別采用助鍍劑15% NH4Cl + 35% ZnCl2(a)、20% NH4Cl + 30% ZnCl2(b)和25% NH4Cl + 25% ZnCl2(c)時在304不銹鋼上獲得的Al–x%Si–0.5%RE熱浸鍍層的截面形貌Figure 3 Cross-sectional morphologies of hot-dip Al–x%Si–0.5%RE coatings prepared on 304 stainless steels after fluxing with:(a) 15% NH4Cl + 35% ZnCl2; (b) 20% NH4Cl + 30% ZnCl2; and (c) 25% NH4Cl + 25% ZnCl2

綜上可知，經25% NH4Cl + 25% ZnCl2助鍍后，304不銹鋼浸鍍Al–x%Si–0.5%RE鍍層厚度最大，且鍍層厚度分布均勻，鍍層與基體交界面平直、無分層，品質最好。

2.3 鍍層的相結構與組成

對以25% NH4Cl + 25% ZnCl2助鍍的304不銹鋼浸鍍Al–x%Si–0.5%RE合金試樣，進行橫斷面磨削拋光后，采用掃描電鏡觀察到如圖4所示的鍍層形貌。采用X射線衍射分析鍍鋁層的外表層、次外層和內層的相結構，結果見圖5。鍍層的外表層由Al2O3、SiO2和α-Al組成，次外層由Al2O3、SiO2以及FeAl2、FeAl、Fe2Al5組成，內層則主要由Fe2Al5和FeAl3組成。鐵鋁擴滲層是通過Fe原子和Al原子在鍍層與基體交界面上發生化學反應和熱擴散而形成的[9-12]。在不銹鋼熱浸鍍鋁時，原鐵鋁界面上先發生元素擴散，生成低鐵的Fe–Al合金層。在鍍鋁擴滲層中，高溫時Al原子的活性增加，使鋁原子不斷向外表面擴散生成Al2O3，不斷彌補高溫狀態下表面被破壞的Al2O3膜層。與此同時，Al又向304不銹鋼的基體方向擴散，與Fe原子結合生成FeAl、FeAl和FeAl3相，使Fe2Al5相逐漸貧化成FeAl2和FeAl3，最終形成FeAl[7,10-13]。這些Fe–Al金屬化合物的存在，使得304不銹鋼基體與鍍鋁層之間形成良好的冶金結合[14]，鍍鋁層不易從304鋼表面脫落。

圖4 經25% NH4Cl + 25% ZnCl2助鍍后304不銹鋼熱浸鍍Al–x%Si–0.5%RE鍍層的截面形貌Figure 4 Cross-sectional morphology of hot-dip Al–x%Si–0.5%RE coating prepared on 304 stainless steel after fluxing with 25% NH4Cl + 25% ZnCl2

圖5 圖4中不同區域的XRD譜圖Figure 5 XRD patterns of different regions in Figure 4

3 結論

考察了由NH4Cl和ZnCl2配成的3種不同成分的助鍍液對304不銹鋼熱浸鍍Al–x%Si–0.5%RE(x= 1,3, 6, 9)鍍層的影響，得到如下結論：

(1) 304 不銹鋼經 25% NH4Cl + 25% ZnCl2助鍍后，在 740 °C 浸鍍 10 min，并先后在 620 °C 與 820 °C分別擴滲2 h和5 h，得到均勻的鍍鋁層，其厚度約為250 μm，與基體的結合面較平直，且無分層和不連續的現象。

(2) 304不銹鋼鍍鋁層的外表層由Al2O3、SiO2和α-Al組成，次外層由Al2O3、SiO2以及FeAl2、FeAl、Fe2Al5組成，內層主要由Fe2Al5和FeAl3組成。