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摘要：新型渗铝钢是以普通低碳钢、合金钢为原材料，在特定快速热渗铝工艺条件下，生产出的一种新型钢铁材料。相对于传统的热镀锌钢材具有更佳的耐大气腐蚀、耐介质腐蚀、耐磨性能且不影响原基体材料力学性能的经济性，因此在输电线路铁塔中有良好的应用前景。本文主要针对这两类材料进行了详细的论述，从各方面特性进行比较，通过数据说明，得出了新型渗铝钢材料在输电铁塔应用中是一种优化性能集于一体的新型复合材料。
关键词：渗铝钢；耐腐蚀性；耐磨性；输电铁塔；应用
0引言
输电线路杆塔结构件防腐保护性能的可靠性， 是影响线路长期安全运行的重要因素之一。目前杆塔结构件一般采用传统热镀锌防腐，在酸雨工业污染区和沿海地区， 镀锌层的耐用年限较短，为后期的维护带来极大不便。新型渗铝钢优越的耐蚀、耐热、耐磨性能以及低碳、环保、经济性能，使其成为可以取代传统热镀锌钢材的新材料产品，可在输电铁塔可进一步深化研究和试用。
1 新型渗铝钢简介
新型渗铝钢材料是利用感应电流快速加热热浸渗铝技术，将铝原子瞬间渗进钢铁表面并形成晶态铁铝合金层和纯铝覆盖层，最终生成由渗铝层表面增强的钢基复合新材料。纯铝层决定了渗铝钢材的耐候、耐蚀及光热反射等特性；铁铝合金层则决定了渗铝钢材的耐热性、耐高温氧化性、耐磨性、高硬度等特性。
新型渗铝钢其特征在于以普通低碳钢、合金钢为原材料，在特定快速热渗铝工艺条件下，就能生产出具有极好耐大气腐蚀性能、耐介质腐蚀、耐磨性且不影响原基体材料力学性能的经济性新型钢铁材料。
新型渗铝钢因其表面纯铝层的存在，使其在普通大气环境下的耐蚀性是热镀锌的4倍左右，在沿海气候或恶劣工业气候条件下的耐蚀性是热镀锌钢的5～10倍，对含有SO2、NO2及CO2的工业大气的耐蚀性尤为突出，涂装性为普碳钢的10倍以上[1]。同时，它具有耐磨性（耐磨性较基体材料提高1倍）、耐热性等特性，使钢构件具备了抗腐蚀延寿、省工节能等特点。
2 新型渗铝钢与热镀锌材料在电力铁塔应用方面的优势比较
2.1防腐性比较
2005年前，我国普遍采用国产Q235、Q345角钢及少量钢管。近年来，开始推行使用价格较高的Q420等高强度角钢和钢管。但总体上相对于其他国家的材质强度明显偏低，导致设计的杆塔架构大而重。
输电线路杆塔结构件防腐保护性能的可靠性， 是影响线路长期安全运行的重要因素之一。目前杆塔结构件一般采用传统热镀锌防腐，在酸雨工业污染区和沿海地区， 镀锌层的耐用年限较短，为后期的维护带来极大不便。因此，渗铝钢在严重腐蚀环境下具有镀锌钢无法比拟的优势。
由于铝表面致密氧化铝层的存在，使得渗铝钢具有极其优异的耐大气腐蚀性能，其耐蚀性是相同情况下热镀锌钢及原钢基体的数倍[2]，见表2.1及表2.2。
表2.1 不同钢材的大气腐蚀速率/（μm/a）
大气腐蚀类型 钢材类型
普通低碳钢 热镀锌钢 渗铝钢
农村大气 1.3-25 0.4 0-0.1
工业大气 25-50 1.7 0.42
海洋大气 50-80 1.5 0.28
苛刻海洋大气 80-200 >4.2 1.25
表2.2 镀锌钢、渗铝钢腐蚀试验结果对比 （mg/cm2）
试验名称 试验条件 镀锌钢 渗铝钢
SO2试验 含16%SO2空气 -2825 -130
硝酸试验 含20%HNO3空气 钢件消失 -2
渗铝钢与镀锌钢耐蚀性存在差异的主要原因可解释如下：金属腐蚀是一个电化学反应过程。在腐蚀过程中，由于阴阳极反应的平衡电位差Eoc-Eoa，而产生腐蚀电流。金属腐蚀的速度正比于腐蚀电流。虽然铝的标准电极电位（-1.66V）比铁（-0.44V）和锌（-0.76V）低，但铝氧化膜十分稳定，可起到隔离膜的作用。氧化膜的生成使整个体系电阻增加，腐蚀电流降低，腐蚀平衡电位由原来的-1.66V提高至-0.5～-0.7，因此，腐蚀速率减缓。。锌在PH值4～8范围内，不能发生钝化。在腐蚀过程中，是靠牺牲阳极——损耗镀锌层来实现防腐性保护[3]。
2.2经济性比较
（1）渗铝与热镀锌价格比较
按國家标准GB/T 18592-2001或本公司的企业标准，铝覆盖层厚度在50-80μm，渗铝加工价格一般在1800～2200元/吨。国家标准GB/T 2694-2003规定电力铁塔镀锌层厚度为65～86μm，据湖北和广东市场调研，铁塔热镀锌价格一般平均在1600～2000元/吨。
（2）渗铝与镀锌铁塔的后期维护费用
新型渗铝钢表面致密氧化铝膜能有效阻止腐蚀介质的腐蚀，因而电力铁塔渗铝后在70年之内无需防腐维护，即维护费用基本可以忽略。
而热镀锌钢是依靠牺牲阳极材料（即锌层）保护基体材料，其在使用过程中，锌层会逐渐因为阳极腐蚀而减薄。在普通大气环境条件下，热镀锌电力铁塔一般设计寿命25～30年左右。但在沿海气候或工业气候环境下，热镀锌材料的寿命较短，需要定期要对输电铁塔进行喷漆防腐维护。
总结：镀锌铁塔每一次油漆防腐维护费用在1600元/吨左右。如果以30年时间、维护次数以5次计算，每吨的维护成本就在8000元/吨左右，见表3.3。
性能
指标 防腐价格
元/吨 使用寿
命/年 喷漆维
护费/元 耐工业、
海洋气候
渗铝 1800～2200 70～100 无 优
镀锌 1600～2000 30 1600/次 差
表2.3 渗铝与镀锌对比 2.3力学性能比较
普通钢材经过本工艺的快速热浸渗铝后，不会影响材料的力学性能。以普通Q235钢材快速渗铝为例，由表2.4可以看出，钢材渗铝后的屈服强度和抗拉强度分别提升9.7%和5%左右[4]。
表2.4 Q235渗铝前后的力学性能比较
钢材 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa
Q235钢材 236 366
Q235渗铝 259 387
通过控制工艺参数，可以使普通轻型型钢渗铝后的屈服强度最高可提高30%以上，如Q235角钢渗铝后的强度可达530MPa，抗拉强度达到820MPa，延伸率仍有24%，这可以超过Q460钢的性能指标。
照此推算，以达到同等Q420强度等级的前提下，以6m 长L125x10mm厚Q420角钢为例，如采用Q235渗铝，保守估计可以减薄2mm厚，每根6m角钢可以节约大约20kg钢材，每个铁塔就可以节约大量的钢材以及成本。
3 渗铝钢的环保节能性能
据数据分析统计，中国一年因腐蚀造成的损失高达一万两千亿人民币，巨大财富在悄无声息中流走的时候；耐大气腐蚀，我们比热浸镀锌有着显而易见的优势，随着锌资源的稀有，“以铝代锌”不是梦，耐工业腐蚀，我们可以替代昂贵的合金钢和铜，为用户降低成本。生产一吨渗铝钢，就可节省两吨钢，就少排放3.6吨二氧化碳。
3.1环保性优势
渗铝钢在使用过程中对环境以及人体无害。日本政府的一些权威机构检测证实，未经化学钝化的渗铝钢板符合食品卫生法，对人体的健康无害，可直接用于食品加工。
镀锌钢在使用过程中，由于镀锌层的逐渐脱落，由雨水冲刷不断渗入地表以及水源，长期使用会对环境及人体有污染。
3.2 资源储备优势
据统计，我国锌矿查明资源储量3300万吨左右。但锌储量、基础储量保证年限不高，锌储量5年，基础储量7.4年。锌資源形势紧迫。而目前镀锌企业在几千家，每年耗锌量在上百万吨，造成我国锌资源的供不应求，且产消差越来越大。按此分析，镀锌行业的发展未来将会受到极大制约。
随着国家“十二五”发展规划的出台，以及环保、节能政策的不断强化，淘汰高耗能、重污染、低寿命的热镀锌工业是大势所趋。而新型渗铝钢是完全符合国家“新材料十二五战略发展规划”关于新材料的定义，其是集优良的耐蚀性、耐热性、耐磨性、耐强介质腐蚀性于一体的新型绿色环保的复合新材料。
4 结论
本文通过论述了新型渗铝钢的工艺原理、镀层结构与性能，比较其与热镀锌材料在防腐性、经济性、力学性能、环保节能性能方面的优势，得出渗铝钢是一种集优良的耐蚀性、耐磨性、耐腐蚀性、经济性、环保节能性于一体的新型复合材料，渗铝钢技术在我国输电铁塔方面的应用前景良好。
5 参考文献
[1] 陈瑞.渗铝钢的耐腐蚀性能及在工业中的应用.化工机械，1991（5）：51～53
[2] 丁庆如.渗铝钢的性能及其在石油化工装备中的应用.石油机械，1999，27（5）：52—54
[3] 李华飞.热浸渗铝钢耐腐蚀试验及其应用. 石油机械，2001，29（10）：7-10
[4] 郭军.热浸镀铝低碳钢的力学性能和耐腐蚀性能研究.机械工程材料，1995，19（5）：20—22
关键词：渗铝钢；耐腐蚀性；耐磨性；输电铁塔；应用
0引言
输电线路杆塔结构件防腐保护性能的可靠性， 是影响线路长期安全运行的重要因素之一。目前杆塔结构件一般采用传统热镀锌防腐，在酸雨工业污染区和沿海地区， 镀锌层的耐用年限较短，为后期的维护带来极大不便。新型渗铝钢优越的耐蚀、耐热、耐磨性能以及低碳、环保、经济性能，使其成为可以取代传统热镀锌钢材的新材料产品，可在输电铁塔可进一步深化研究和试用。
1 新型渗铝钢简介
新型渗铝钢材料是利用感应电流快速加热热浸渗铝技术，将铝原子瞬间渗进钢铁表面并形成晶态铁铝合金层和纯铝覆盖层，最终生成由渗铝层表面增强的钢基复合新材料。纯铝层决定了渗铝钢材的耐候、耐蚀及光热反射等特性；铁铝合金层则决定了渗铝钢材的耐热性、耐高温氧化性、耐磨性、高硬度等特性。
新型渗铝钢其特征在于以普通低碳钢、合金钢为原材料，在特定快速热渗铝工艺条件下，就能生产出具有极好耐大气腐蚀性能、耐介质腐蚀、耐磨性且不影响原基体材料力学性能的经济性新型钢铁材料。
新型渗铝钢因其表面纯铝层的存在，使其在普通大气环境下的耐蚀性是热镀锌的4倍左右，在沿海气候或恶劣工业气候条件下的耐蚀性是热镀锌钢的5～10倍，对含有SO2、NO2及CO2的工业大气的耐蚀性尤为突出，涂装性为普碳钢的10倍以上[1]。同时，它具有耐磨性（耐磨性较基体材料提高1倍）、耐热性等特性，使钢构件具备了抗腐蚀延寿、省工节能等特点。
2 新型渗铝钢与热镀锌材料在电力铁塔应用方面的优势比较
2.1防腐性比较
2005年前，我国普遍采用国产Q235、Q345角钢及少量钢管。近年来，开始推行使用价格较高的Q420等高强度角钢和钢管。但总体上相对于其他国家的材质强度明显偏低，导致设计的杆塔架构大而重。
输电线路杆塔结构件防腐保护性能的可靠性， 是影响线路长期安全运行的重要因素之一。目前杆塔结构件一般采用传统热镀锌防腐，在酸雨工业污染区和沿海地区， 镀锌层的耐用年限较短，为后期的维护带来极大不便。因此，渗铝钢在严重腐蚀环境下具有镀锌钢无法比拟的优势。
由于铝表面致密氧化铝层的存在，使得渗铝钢具有极其优异的耐大气腐蚀性能，其耐蚀性是相同情况下热镀锌钢及原钢基体的数倍[2]，见表2.1及表2.2。
表2.1 不同钢材的大气腐蚀速率/（μm/a）
大气腐蚀类型 钢材类型
普通低碳钢 热镀锌钢 渗铝钢
农村大气 1.3-25 0.4 0-0.1
工业大气 25-50 1.7 0.42
海洋大气 50-80 1.5 0.28
苛刻海洋大气 80-200 >4.2 1.25
表2.2 镀锌钢、渗铝钢腐蚀试验结果对比 （mg/cm2）
试验名称 试验条件 镀锌钢 渗铝钢
SO2试验 含16%SO2空气 -2825 -130
硝酸试验 含20%HNO3空气 钢件消失 -2
渗铝钢与镀锌钢耐蚀性存在差异的主要原因可解释如下：金属腐蚀是一个电化学反应过程。在腐蚀过程中，由于阴阳极反应的平衡电位差Eoc-Eoa，而产生腐蚀电流。金属腐蚀的速度正比于腐蚀电流。虽然铝的标准电极电位（-1.66V）比铁（-0.44V）和锌（-0.76V）低，但铝氧化膜十分稳定，可起到隔离膜的作用。氧化膜的生成使整个体系电阻增加，腐蚀电流降低，腐蚀平衡电位由原来的-1.66V提高至-0.5～-0.7，因此，腐蚀速率减缓。。锌在PH值4～8范围内，不能发生钝化。在腐蚀过程中，是靠牺牲阳极——损耗镀锌层来实现防腐性保护[3]。
2.2经济性比较
（1）渗铝与热镀锌价格比较
按國家标准GB/T 18592-2001或本公司的企业标准，铝覆盖层厚度在50-80μm，渗铝加工价格一般在1800～2200元/吨。国家标准GB/T 2694-2003规定电力铁塔镀锌层厚度为65～86μm，据湖北和广东市场调研，铁塔热镀锌价格一般平均在1600～2000元/吨。
（2）渗铝与镀锌铁塔的后期维护费用
新型渗铝钢表面致密氧化铝膜能有效阻止腐蚀介质的腐蚀，因而电力铁塔渗铝后在70年之内无需防腐维护，即维护费用基本可以忽略。
而热镀锌钢是依靠牺牲阳极材料（即锌层）保护基体材料，其在使用过程中，锌层会逐渐因为阳极腐蚀而减薄。在普通大气环境条件下，热镀锌电力铁塔一般设计寿命25～30年左右。但在沿海气候或工业气候环境下，热镀锌材料的寿命较短，需要定期要对输电铁塔进行喷漆防腐维护。
总结：镀锌铁塔每一次油漆防腐维护费用在1600元/吨左右。如果以30年时间、维护次数以5次计算，每吨的维护成本就在8000元/吨左右，见表3.3。
性能
指标 防腐价格
元/吨 使用寿
命/年 喷漆维
护费/元 耐工业、
海洋气候
渗铝 1800～2200 70～100 无 优
镀锌 1600～2000 30 1600/次 差
表2.3 渗铝与镀锌对比 2.3力学性能比较
普通钢材经过本工艺的快速热浸渗铝后，不会影响材料的力学性能。以普通Q235钢材快速渗铝为例，由表2.4可以看出，钢材渗铝后的屈服强度和抗拉强度分别提升9.7%和5%左右[4]。
表2.4 Q235渗铝前后的力学性能比较
钢材 屈服强度/MPa 抗拉强度/MPa
Q235钢材 236 366
Q235渗铝 259 387
通过控制工艺参数，可以使普通轻型型钢渗铝后的屈服强度最高可提高30%以上，如Q235角钢渗铝后的强度可达530MPa，抗拉强度达到820MPa，延伸率仍有24%，这可以超过Q460钢的性能指标。
照此推算，以达到同等Q420强度等级的前提下，以6m 长L125x10mm厚Q420角钢为例，如采用Q235渗铝，保守估计可以减薄2mm厚，每根6m角钢可以节约大约20kg钢材，每个铁塔就可以节约大量的钢材以及成本。
3 渗铝钢的环保节能性能
据数据分析统计，中国一年因腐蚀造成的损失高达一万两千亿人民币，巨大财富在悄无声息中流走的时候；耐大气腐蚀，我们比热浸镀锌有着显而易见的优势，随着锌资源的稀有，“以铝代锌”不是梦，耐工业腐蚀，我们可以替代昂贵的合金钢和铜，为用户降低成本。生产一吨渗铝钢，就可节省两吨钢，就少排放3.6吨二氧化碳。
3.1环保性优势
渗铝钢在使用过程中对环境以及人体无害。日本政府的一些权威机构检测证实，未经化学钝化的渗铝钢板符合食品卫生法，对人体的健康无害，可直接用于食品加工。
镀锌钢在使用过程中，由于镀锌层的逐渐脱落，由雨水冲刷不断渗入地表以及水源，长期使用会对环境及人体有污染。
3.2 资源储备优势
据统计，我国锌矿查明资源储量3300万吨左右。但锌储量、基础储量保证年限不高，锌储量5年，基础储量7.4年。锌資源形势紧迫。而目前镀锌企业在几千家，每年耗锌量在上百万吨，造成我国锌资源的供不应求，且产消差越来越大。按此分析，镀锌行业的发展未来将会受到极大制约。
随着国家“十二五”发展规划的出台，以及环保、节能政策的不断强化，淘汰高耗能、重污染、低寿命的热镀锌工业是大势所趋。而新型渗铝钢是完全符合国家“新材料十二五战略发展规划”关于新材料的定义，其是集优良的耐蚀性、耐热性、耐磨性、耐强介质腐蚀性于一体的新型绿色环保的复合新材料。
4 结论
本文通过论述了新型渗铝钢的工艺原理、镀层结构与性能，比较其与热镀锌材料在防腐性、经济性、力学性能、环保节能性能方面的优势，得出渗铝钢是一种集优良的耐蚀性、耐磨性、耐腐蚀性、经济性、环保节能性于一体的新型复合材料，渗铝钢技术在我国输电铁塔方面的应用前景良好。
5 参考文献
[1] 陈瑞.渗铝钢的耐腐蚀性能及在工业中的应用.化工机械，1991（5）：51～53
[2] 丁庆如.渗铝钢的性能及其在石油化工装备中的应用.石油机械，1999，27（5）：52—54
[3] 李华飞.热浸渗铝钢耐腐蚀试验及其应用. 石油机械，2001，29（10）：7-10
[4] 郭军.热浸镀铝低碳钢的力学性能和耐腐蚀性能研究.机械工程材料，1995，19（5）：20—22