黄铜渗铝的研究

D0I:10.13374/j.issn1001-053x.1994.s1.017 第16卷增刊 北京科技大学学报 Vol.16 1994年3月 Journal of University of Science and Technology Beijing Mar,1994 黄铜渗铝的研究 张蕙文”毛裕文》戈文荪”宋国泰3》杨柘》 （1)北京科技大学表面科学与腐蚀工程系：2)物理化学系；3)吉林电力试验研究所) 摘要采用粉末渗镀法，研究了黄铜渗铝工艺。获得有效渗铝的工艺条件是：渗镀温度 600℃，渗镀时间3h,渗剂组成是A1粉40%、NH,C12%和A1,03粉58%。渗铝后的黄铜耐 蚀性提高1.8倍，硬度增加25.6%，渗层厚度为50um。通过X射线衍射分析等得出，黄铜渗 铝层的结构由表面至基体是Cua.61AIa.3a2→Y2-CusAl,+a-CuZn(含AI)+a-CuZn。 关键词黄铜，渗铝，粉末渗镀 Study of Aluminising on Brass Zhang Huiwen Mao Yuwen2)Ge Wenrun)Song Guotai)Yang Tuo" (1)Dept.of Surface Science and Corrosion Engineering:2)Dept.of Physical Chemistry; 3)Institute of Electrical Power Test Jinlin ABSTRACT The technique of aluminising on brass by powder plating method has been stud- ied.The optimum technological conditions obtained were:temperature 600C,time 3h and the constitute of coating agent aluminium powder 40%,NH,Cl 2%and alumina powder 58%.After aluminising,The corrosion resistance of brass increases 1.8 times,the hardness increases 25.6%and the coating thickness is 50um.The structure of coating layer of alumini- um on brass from surface to interior obtained by X-ray diffraction analysis was:Cuo.s1Alo.3892 →Y2-Cu,Al,→a-CuZn(Al)+a-CuZn. KEY WORDS brass,aluminising,powder plating 火力发电厂黄铜蒸汽冷凝管的磨蚀有时非常严重，主要有黄铜脱锌、空冷区汽侧氨蚀、 应力腐蚀、点蚀和磨蚀等类型，这引起黄铜管损耗及非计划停电或限制负荷，造成巨大经 济损失。为此，探寻黄铜冷凝管防蚀新途径是必要的，对钢材、镍基和钴基等高温合金渗 铝，均能有效地提高耐蚀性，但黄铜渗铝的报导只有少量的论文和专利一别。为了提高黄铜 冷凝管耐蚀性，本文进行了黄铜渗铝工艺和耐蚀性能的研究。 1993-]0-16收稿第一作者女56岁工程师

第 卷增 刊 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 黄铜渗铝 的研究 张蕙文 毛裕 文 戈文荪 ‘ ， 宋 国泰 杨 拓 北京 科技大学 表 面 科学 与腐 蚀工 程 系 物理 化学 系 吉林 电力 试验研 究所 摘 要 采 用 粉末渗镀 法 ， 研 究 了黄铜 渗铝 工 艺 。 获得 有效 渗铝 的工 艺条件是 渗镀 温度 ℃ ， 渗镀时 间 ， 渗剂组成是 粉 、 和 粉 。 渗铝后 的黄铜 耐 蚀性提高 倍 ， 硬 度增 加 ， 渗层厚度为 伽 。 通过 射线衍射分析等得 出 ， 黄铜渗 铝 层 的结构 由表面 至 基体是 。 ，。 一。 ， 一 ， ‘ “ 一 含 份 。 关键词 黄铜 ， 渗铝 ， 粉末渗镀 ， ， 介 ， 众 ℃ ， ， ， ， 产 一 。 了 一 ， 一 一 ， ， 火 力发 电厂黄铜 蒸汽冷 凝管 的磨蚀有 时非常严重 ， 主要 有黄铜脱锌 、 空冷 区 汽侧 氨 蚀 、 应 力腐蚀 、 点蚀和 磨蚀等类 型 。 这 引起 黄铜 管 损耗及 非计 划停 电或限制 负荷 ， 造成 巨大经 济损 失 。 为此 ， 探 寻 黄铜 冷 凝管 防蚀 新途径是 必要 的 。 对钢 材 、 镍基 和钻基等高温合金渗 铝 ， 均 能有效地提高耐蚀性 ， 但黄铜渗铝 的报导 只有 少量 的论文和 专利 巨‘ 一 〕 。 为 了提高黄铜 冷凝管耐蚀性 ， 本文进行 了黄铜 渗铝工 艺和耐蚀性能 的研 究 。 一 一 收稿 第一 作者 女 岁 工 程 师 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1994．s1．017

张葱文等：黄铜渗铝的研究 ·83· 1实验方法和设备 将直径29.4mm的HAL77-2黄铜管切割成40mm长的圆环，打磨光洁后称重，作为渗 铝试样。渗剂为分析纯铝粉、氧化铝粉和NH,C。为了得到均匀良好的渗铝层，铝粉粒度要 求小于200目，氧化铝粉小于120目，同时 1 在850C~950C下保温3~4h以脱除水 份。 渗铝装置显示于图1。实验用坩埚由不 锈钢制成，配有螺纹连结的坩埚盖以防止气 体逸出。将混合均匀的渗剂装入坩埚并将黄 铜环埋入渗剂粉末中，盖好坩埚盖。然后将 坩埚放入加热炉进行渗铝。渗铝处理后，取 出坩埚在空气中冷却，取出渗铝试样，擦洗 干净并称重。 图1渗铝装置示意图 采用浸泡失重法确定试样的耐蚀性，浸 1坩埚吊线：2加热炉；3坩埚；4热电偶 泡介质为0.6%FeCl,水溶液，溶液使用量 Fig.1 Schematic diagram of aluminising instrument 为icm2试样表面积不小于20ml,溶液温度为20C,浸泡时间为72h。浸泡后的试样用超声 波清洗法除去锈层，干燥后称重，可得出试样的浸泡失重量。 2实验结果及讨论 本文考查了不同渗镀工艺因素对黄铜渗铝层及其耐蚀性的影响。 2.1渗镀温度的影响 在同样渗剂组成(A1粉40%、NH,C2%、其余为Al2O2粉)和渗镀时间(3h)下，温 度对渗铝层及其耐蚀性影响示于表1。由表1可见，温度低于450C,渗铝后增重很小甚至 出现负值；温度大于500℃，则随温度升高而加大。这是因为试样在高温下要发生黄铜脱锌 和渗铝两个过程、低于450C时渗铝速度很小而脱锌有较大速度，故试样增重很小甚至失 重。大于500C后随着温度升高，活性铝原子增多，铝原子在试样表面的沉积和扩散速度加 大，因而试样增重加大。从表1中耐蚀性提高的倍数可知，600℃时渗铝试样的耐蚀性最高， 比未渗铝黄铜提高1.82倍。 表1温度对渗铝的影响 Table 1 The effect of temperature on aluminising 温 度(C) 实验情况 未渗铝 40 450500 550 580 600 650 渗铝后增重(mg/cm)0.0573-0.28252.08425.3617 12.402124.3395 浸泡后失重(mg/cm)23.667224.537533.425030.963612.30148.33999.246426.0707 腐蚀速率(mm/a) 3.823.965.395.001.98 1.35 1.49 3.81 耐蚀性增加（倍） 0 -0.04-0.29-0.240.921.82 1.56 一

张 蕙文等 黄铜渗铝 的研究 实验方法和设备 将 直径 的 一 黄铜 管切 割 成 长 的圆环 ， 打磨光 洁后 称重 ， 作 为渗 铝 试样 。 渗剂 为分析纯 铝 粉 、 氧化铝 粉和 。 求 小于 目 ， 氧化 铝 粉小于 目 ， 同时 为 了得到均 匀 良好 的渗铝 层 ， 铝 粉粒 度要 在 ‘ 一 下 保 温 一 以 脱 除 水 份 。 渗铝 装置 显 示 于 图 。 实验 用增 涡 由不 锈钢制成 ， 配有 螺纹连结 的柑 竭 盖 以 防止 气 体逸 出 。 将 混 合均 匀 的渗剂装入 增涡 并将黄 铜 环埋入 渗剂 粉末 中 ， 盖好增 祸 盖 。 然后将 柑 祸放入 加热炉 进行渗 铝 。 渗铝 处理 后 ， 取 出增 涡在 空气 中冷 却 ， 取 出渗铝 试样 ， 擦洗 干 净并 称重 。 采用浸 泡 失重法确 定试 样 的耐 蚀性 。 浸 泡介质为 水溶液 ， 溶液 使 用量 ’ 扁、 、 、 、 乃 ， 图 渗铝装 置示意图 增涡 吊线 加热炉 增祸 热电偶 为 试样表面 积 不 小于 。 溶液温度 为 ‘ ， 浸 泡 时 间为 。 浸 泡后 的试样 用超 声 波 清洗法 除去锈 层 ， 干燥 后 称重 ， 可得 出试样 的浸 泡失重 量 。 实验结果及讨论 本文考查 了不 同渗镀 工 艺 因素对黄铜 渗铝 层 及其耐蚀性 的影 响 。 渗镀温 度 的影响 在 同样渗剂组 成 粉 、 、 其余 为 粉 和 渗镀 时 间 下 ， 温 度对渗 铝 层 及 其耐蚀性 影 响示 于表 。 由表 可 见 ， 温度低 于 ， 渗 铝后增 重很 小甚 至 出现 负值 温 度大 于 ‘ ， 则随温度升高而 加大 。 这是 因为试样在高温 下要发生黄铜 脱锌 和 渗铝 两个过 程 低 于 时渗铝速 度 很 小 而 脱锌有较大速 度 ， 故试样增重很 小甚 至 失 重 。 大 于 后 随 着温 度 升高 ， 活性 铝 原子增 多 ， 铝 原子在试样表 面的沉积和 扩散速度加 大 ， 因而试 样增 重 加大 。 从表 中耐蚀性提 高 的倍数 可知 ， ℃ 时渗铝试样 的耐蚀性最高 ， 比未渗铝 黄铜 提 高 · 倍 。 表 温度对渗铝 的影响 皿 实验情 况 温 度 未渗铝 渗铝后 增重 浸 泡后 失重 腐蚀速率 耐蚀性增 加 倍 一 一 一 一

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张 蕙文等 黄铜渗铝 的研究 实验方法和设备 将 直径 的 一 黄铜 管切 割 成 长 的圆环 ， 打磨光 洁后 称重 ， 作 为渗 铝 试样 。 渗剂 为分析纯 铝 粉 、 氧化铝 粉和 。 求 小于 目 ， 氧化 铝 粉小于 目 ， 同时 为 了得到均 匀 良好 的渗铝 层 ， 铝 粉粒 度要 在 ‘ 一 下 保 温 一 以 脱 除 水 份 。 渗铝 装置 显 示 于 图 。 实验 用增 涡 由不 锈钢制成 ， 配有 螺纹连结 的柑 竭 盖 以 防止 气 体逸 出 。 将 混 合均 匀 的渗剂装入 增涡 并将黄 铜 环埋入 渗剂 粉末 中 ， 盖好增 祸 盖 。 然后将 柑 祸放入 加热炉 进行渗 铝 。 渗铝 处理 后 ， 取 出增 涡在 空气 中冷 却 ， 取 出渗铝 试样 ， 擦洗 干 净并 称重 。 采用浸 泡 失重法确 定试 样 的耐 蚀性 。 浸 泡介质为 水溶液 ， 溶液 使 用量 ’ 扁、 、 、 、 乃 ， 图 渗铝装 置示意图 增涡 吊线 加热炉 增祸 热电偶 为 试样表面 积 不 小于 。 溶液温度 为 ‘ ， 浸 泡 时 间为 。 浸 泡后 的试样 用超 声 波 清洗法 除去锈 层 ， 干燥 后 称重 ， 可得 出试样 的浸 泡失重 量 。 实验结果及讨论 本文考查 了不 同渗镀 工 艺 因素对黄铜 渗铝 层 及其耐蚀性 的影 响 。 渗镀温 度 的影响 在 同样渗剂组 成 粉 、 、 其余 为 粉 和 渗镀 时 间 下 ， 温 度对渗 铝 层 及 其耐蚀性 影 响示 于表 。 由表 可 见 ， 温度低 于 ， 渗 铝后增 重很 小甚 至 出现 负值 温 度大 于 ‘ ， 则随温度升高而 加大 。 这是 因为试样在高温 下要发生黄铜 脱锌 和 渗铝 两个过 程 低 于 时渗铝速 度 很 小 而 脱锌有较大速 度 ， 故试样增重很 小甚 至 失 重 。 大 于 后 随 着温 度 升高 ， 活性 铝 原子增 多 ， 铝 原子在试样表 面的沉积和 扩散速度加 大 ， 因而试 样增 重 加大 。 从表 中耐蚀性提 高 的倍数 可知 ， ℃ 时渗铝试样 的耐蚀性最高 ， 比未渗铝 黄铜 提 高 · 倍 。 表 温度对渗铝 的影响 皿 实验情 况 温 度 未渗铝 渗铝后 增重 浸 泡后 失重 腐蚀速率 耐蚀性增 加 倍 一 一 一 一

张蕙文等：黄铜渗铝的研究 ·85· 在同样渗剂组成(AI粉40%、NH,C2%、其余为AlO,粉)和渗镀温度(600C)下， 渗镀时间对渗铝量及其耐蚀性影响列于表2。从表中数据看出，渗镀时间的影响不大，考虑 到节省操作时间，确定3h为合适的渗镀时间。 2.3活化剂含量的影响 在同样的渗镀温度(600C)和时间(3h)下，改变渗剂中NH,C1含量(AI粉40%，其 余为Al,O2粉)对渗铝效果的影响示于表3。可见NH,CI含量为2%时渗铝效果最好。活化 剂NH,C含量低于2%时，形成的活性铝原子太少，不利于渗铝；含量过高，活性铝原子的 数目增加不多，但活性铝原子在试样表面的浓度却因活化剂浓度增加而降低，也不利于渗 铝。与温度因素相比，活化剂含量对渗铝效果的作用要小。不同NH,CI含量时渗铝黄铜的 SEM照片也表明，NH,CI含量的变化对渗铝层厚度的影响很小。 表3NH,CI含量对渗铝的影响 Table 3 The effect of NH,Cl content on aluminizing NH,Cl含量，% 实验情况 未渗铝 1.01.52.03.04.06.0 港铝后增重(mg/cm2)9.152511.499612.402112.010711.786211.7028 浸泡后失重(mg/cm2)11.235510.18558.33999.30769.194410.4266 26.0707 腐蚀速率(mm/a) 1.821.651.351.51 1.491.69 3.81 耐蚀性增加（倍） 1.091.311.821.521.561.25 2.4渗剂中铝粉含量的影响 在相同渗镀温度(600C)、时间(3h)和NH,Cl含量(2%)时，改变渗剂中铝粉含量 对渗铝效果的影响示于表4。由表中数据可以看到，铝粉含量变化在37%~49%范围内，对 渗铝效果影响不大，但其中以铝粉含量为40%时效果最好。 表4铝粉含量对渗铝的影响 Table 4 The effect of aluminium powder content on aluminizing 铝粉含量，% 实验情况 未渗铝 37 40 43 49 渗铝后增重(mg/cm2) 11.9034 12.4021 11.7414 12.8677 没泡后失重(mg/cm2) 8.6965 8.3399 9.1949 9.3505 26.0707 腐蚀速率(mm/a) 1.41 1.35 1.49 1.52 3.81 耐蚀性增加（倍） 1.70 1.82 1.56 1.51 2.5渗铝黄铜的硬度 在600℃、3h和渗剂组成为铝粉40%、 表5渗铝黄铜和黄铜的硬度，Hv HH,Cl2%、Al,O3粉58%的条件下得到的Table6 Hardness of aluminizing brass and brass,Hv 渗铝黄铜及未渗铝黄铜的表面硬度值示于表 No. 12345平均 5。可见渗铝后的黄铜其表面硬度提高了滲铝黄铜110.5101.794.7108.8106.5104.4 21.3Hv或25.6%。这对提高黄铜冷凝管的黄铜84.981.780.886.982.183.1 耐磨蚀性是有益的。 综上所述，黄铜渗铝的有效工艺条件是：渗镀温度600C,渗镀时间3，渗剂组成是 铝粉40%，NH,Cl2%,其余为A12O3粉。此条件下所得的渗铝黄铜耐蚀性提高1.82倍，表

张 蕙文 等 黄铜 渗铝 的研究 在 同样渗剂组成 粉 、 、 其余 为 。 粉 和渗镀温度 ℃ 下 ， 渗镀 时 间对渗铝量及其耐蚀性 影 响列 于 表 。 从 表 中数据 看 出 ， 渗镀时 间的影 响 不大 ， 考虑 到 节省操作时 间 ， 确定 为合适 的渗镀 时 间 。 活化 剂含量 的影响 在 同样 的渗镀温度 ℃ 和 时 间 下 ， 改变渗剂 中 含 量 粉 ， 其 余 为 粉 对渗铝 效果 的影 响示 于 表 。 可见 含量 为 时渗铝效果最好 。 活化 剂 含量低 于 时 ， 形 成 的活性铝 原子太少 ， 不利于渗铝 含量过 高 ， 活性铝 原子 的 数 目增加不 多 ， 但活性 铝原子在试样表 面 的浓 度却 因活化剂 浓度增 加 而 降低 ， 也不 利于渗 铝 。 与温度 因素相 比 ， 活化剂 含量对渗铝效果 的作用要 小 。 不 同 含量 时渗铝 黄铜 的 照 片也表 明 ， 含量 的变化对渗铝 层厚度 的影 响很 小 。 表 含 对渗铝 的影响 一 实验情况 含 量 ， 未渗铝 渗铝后增重 一 一 一 浸 泡后 失重 · · · 一 腐蚀速率 耐蚀性增 加 倍 一 渗剂 中铝粉含量 的影响 在 相 同渗镀 温度 ℃ 、 时 间 和 含量 时 ， 改变渗剂 中铝 粉含量 对 渗铝效 果 的影 响示 于表 。 由表 中数据 可 以 看到 ， 铝 粉含 量变化在 一 范 围 内 ， 对 渗铝 效果影 响不大 ， 但其 中以铝 粉含量 为 时效果最 好 。 表 铝粉含量对渗铝的影响 实验 情 况 铝 粉 含量 ， 未渗铝 渗铝后增 重 一 浸 泡后 失重 腐蚀速 率 耐蚀性增 加 倍 一 渗铝黄铜的硬度 在 ℃ 、 和 渗剂 组 成 为铝 粉 、 表 渗铝黄铜和黄铜的硬 度 ， 、 粉 的条 件 下得 到 的 ， 渗铝黄铜 及未渗铝黄铜 的表 面 硬 度值示 于表 平均 。 可 见 渗 铝 后 的 黄 铜 其 表 面 硬 度 提 高 了 渗铝黄铜 或 。 这对提高 黄铜 冷 凝 管 的 黄 铜 · · · · · · 耐磨蚀性是有益 的 。 综上所述 ， 黄铜渗铝 的有效工 艺条件是 渗镀温 度 ℃ ， 渗镀 时 间 ， 渗剂组成是 铝粉 ， ， 其余 为 。 粉 。 此条件下所得 的渗铝黄铜 耐蚀性提高 倍 ， 表

张 蕙文 等 黄铜 渗铝 的研究 在 同样渗剂组成 粉 、 、 其余 为 。 粉 和渗镀温度 ℃ 下 ， 渗镀 时 间对渗铝量及其耐蚀性 影 响列 于 表 。 从 表 中数据 看 出 ， 渗镀时 间的影 响 不大 ， 考虑 到 节省操作时 间 ， 确定 为合适 的渗镀 时 间 。 活化 剂含量 的影响 在 同样 的渗镀温度 ℃ 和 时 间 下 ， 改变渗剂 中 含 量 粉 ， 其 余 为 粉 对渗铝 效果 的影 响示 于 表 。 可见 含量 为 时渗铝效果最好 。 活化 剂 含量低 于 时 ， 形 成 的活性铝 原子太少 ， 不利于渗铝 含量过 高 ， 活性铝 原子 的 数 目增加不 多 ， 但活性 铝原子在试样表 面 的浓 度却 因活化剂 浓度增 加 而 降低 ， 也不 利于渗 铝 。 与温度 因素相 比 ， 活化剂 含量对渗铝效果 的作用要 小 。 不 同 含量 时渗铝 黄铜 的 照 片也表 明 ， 含量 的变化对渗铝 层厚度 的影 响很 小 。 表 含 对渗铝 的影响 一 实验情况 含 量 ， 未渗铝 渗铝后增重 一 一 一 浸 泡后 失重 · · · 一 腐蚀速率 耐蚀性增 加 倍 一 渗剂 中铝粉含量 的影响 在 相 同渗镀 温度 ℃ 、 时 间 和 含量 时 ， 改变渗剂 中铝 粉含量 对 渗铝效 果 的影 响示 于表 。 由表 中数据 可 以 看到 ， 铝 粉含 量变化在 一 范 围 内 ， 对 渗铝 效果影 响不大 ， 但其 中以铝 粉含量 为 时效果最 好 。 表 铝粉含量对渗铝的影响 实验 情 况 铝 粉 含量 ， 未渗铝 渗铝后增 重 一 浸 泡后 失重 腐蚀速 率 耐蚀性增 加 倍 一 渗铝黄铜的硬度 在 ℃ 、 和 渗剂 组 成 为铝 粉 、 表 渗铝黄铜和黄铜的硬 度 ， 、 粉 的条 件 下得 到 的 ， 渗铝黄铜 及未渗铝黄铜 的表 面 硬 度值示 于表 平均 。 可 见 渗 铝 后 的 黄 铜 其 表 面 硬 度 提 高 了 渗铝黄铜 或 。 这对提高 黄铜 冷 凝 管 的 黄 铜 · · · · · · 耐磨蚀性是有益 的 。 综上所述 ， 黄铜渗铝 的有效工 艺条件是 渗镀温 度 ℃ ， 渗镀 时 间 ， 渗剂组成是 铝粉 ， ， 其余 为 。 粉 。 此条件下所得 的渗铝黄铜 耐蚀性提高 倍 ， 表