姚有兴
中航飞机股份有限公司热表处理厂 陕西 西安710089
摘要: 热浸镀铝层能够极大地提高不锈钢的抗高温和抗腐蚀能力，为了能够稳定生产性能优良的不锈钢材料，研究不锈钢热浸镀铝表面的高温抗氧化性能。首先需要选定此次实验的实验材料及实验设备，然后制定打磨-碱洗-酸洗-助镀-热浸镀铝-扩散退火-循环氧化的七步实验过程。从热浸镀铝表层主要物质的性质及其高温抗氧化性能入手，研究不锈钢热浸镀铝表面的高温抗氧化能力。
关键词：不锈钢；热浸镀铝；高温耐氧化性能；高温氧化性；
中图分类号:TG172.82文献标识码:A
0引言
不锈钢是一种应用十分广泛的金属材料，具备良好的耐腐蚀性和抗热性，这一特性使得其在经常高温及具备腐蚀性的环境下使用，因此该材料在一些化工生产设备及航天航空工程中受到了广泛的关注。但是不锈钢的抗高温能力是有一定限度的，一般不能超过850℃，这也在一定程度上限制了不锈钢的适用范围。通过一些实验可以发现，不锈钢经过热浸镀铝之后，能够大幅度地提高其耐高温和耐腐蚀的能力，这种方法可在不锈钢材料表面简单地形成一层保护层，由于其简单、高效的性能，一直受到国内外化工生产企业的重视。在许多化学介质中，不锈钢表面热浸镀铝，具有良好的耐腐蚀性能，在加热条件下扩散成合金层，使不锈钢具有更好的高温抗氧化性能。因此可知，想要提高不锈钢的性能，就需要对不锈钢材料的热浸镀铝表面高温抗氧化性能进行深入的研究和探讨。
1实验方法
1.1实验材料
为探索不锈钢热浸镀铝在高温环境下抗氧化行为的一般规律，本次实验采用对比方法。实验组选用的不锈钢选用最常见的厚度约2mm左右的不锈钢板，对照组选用普通碳钢作为实验材料，两种不锈钢的化学成分如表1所示。
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上表中所有元素的成分单位均为ω/%，将所有不锈钢板均切割为20mm×10mm×2mm的小型长方体，并在尾端钻一个用于悬挂的小孔。在热浸镀铝过程中使用的铝液是纯度为99.5%以上的工业纯铝，工业实验过程中需要的仪器及参数如表2所示。
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使用以上几种化学药品按固定的浓度，在80℃的温度下，反应10-15min即可配制成碱洗液。酸洗液一般使用提及分数为50%的HCl溶液，温度在45-55℃之间，反应时间约5min。在助镀步骤中，需要质量分数约为2.5%-3.5%的KF溶液，温度为85℃，反应时间3min45s-4min。为了保证实验环境温度的稳定性，不锈钢的热浸镀铝、扩散退火和循环氧化三个步骤均需在电阻箱中进行。纯铝液熔化之后可以在不锈钢的表面覆盖一层阻隔剂，其配方的成分及浓度大致为ω（KCl）：ω（NaCl）：ω（NaF）=4:3:1。电阻箱中的温度需要恒定为800℃，反应时间为10-15min。在扩散退火步骤中，电阻箱温度恒定为950-1000℃，反应时间约为1h。在循环氧化的过程中，温度变化不大，但是需要定时由900℃改变为1000℃，氧化时间约为50-55h，视实际情况而定。在900℃时每5h一次循环，1000℃时每6h一次循环，直至实验结束。实验结束后，使用增重法将不锈钢冷却并称量，测得不锈钢的重量增加程度，计算得到其抗氧化性能。
2实验结果与讨论
2.1热浸镀铝层组织
两种不锈钢金属材料在经过如上文所述方法热浸镀铝后的产物均可以大致分为3层：不锈钢表面铝层、中间不锈钢层、基体层。中间的不锈钢层与内部的基体层边界较为清晰，没有毛糙的边角。实验组的不锈钢两边之间紧密结合，无开裂现象，这是因为实验组不锈钢的镍元素含量较高（ω=5.52%）；而对照组的不锈钢（ω=3.63%）则没有实验组这般整齐，表层有少许裂纹。最表面的热浸镀铝层厚度约为50μm，中间的不锈钢层主要是铁元素与铝元素形成的合金，厚度一般较小，只有约10μm。在确定不锈钢热浸镀铝层主要物质的实验过程中，可以使用EDS方法对热浸镀铝层的化学元素进行分析，得知在实验组不锈钢的热浸镀铝层中，铝元素的质量分数为97.33%，对照组不锈钢的热浸镀铝层中，铝元素的质量分数为96.25%。在不锈钢层中实验组的铝元素和铁元素质量分数约为67.41%和17.12%，对照组铝元素和铁元素质量分数约为65.74%和16.41%。因此可以通过计算得知，该热浸镀铝层中所包含的主要物质为Fe2Al5。
2.2高温氧化性能分析
通过以上实验可以得知，无论何种不锈钢在900℃时均会被氧化，而不锈钢在热浸镀铝之后会通过氧化在表面形成一层致密的保护性氧化膜。这个过程中，不锈钢因为得氧会相应增加重量，因此可以通过计算不锈钢的重量得知该合金是否已经被热浸镀铝。当电阻箱的温度达到1000℃时，未曾经历过热浸镀铝的不锈钢会因为氧化急剧增重，其重量明显高于同等温度下的热浸镀铝不锈钢，同样可以通过质量验证该合金未经历过热浸镀铝。
3结束语
本文对不锈钢热浸镀铝表面的高温抗氧化行为进行研究，并设计了相关实验，从而得知不锈钢在热浸镀铝之后表层所形成的物质其主要化合物为Fe2Al5，经过热浸镀铝之后的不锈钢具备较之前更好的抗高温能力，这都是源于Fe2Al5的高温耐氧化性能。
参考文献
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