一種提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于：首先在馬氏體耐熱鋼表面預(yù)鍍一層鈦層，然后通過真空熱處理方法使馬氏體耐熱鋼表層的碳與其表面預(yù)鍍的鈦層反應(yīng)，最終形成碳化鈦的陶瓷涂層。采用該方法在馬氏體耐熱鋼表面進(jìn)行處理，能夠有效的提高金屬的耐液態(tài)金屬腐蝕性能，延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命。
【專利說明】一種提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于金屬表面處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別提供一種對(duì)金屬表面進(jìn)行涂層、熱處理的工藝方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著能源危機(jī)的加劇，開發(fā)安全、能量密度高、環(huán)境友好型的新能源迫在眉睫。核電是應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)較理想的選擇，但核廢物的處理問題一直制約著核電的可持續(xù)發(fā)展。ADS嬗變系統(tǒng)(Accelerator Driven Transmutation System)以其高效利用核廢料及高的系統(tǒng)安全性，是目前最有發(fā)展前途的核廢物嬗變系統(tǒng)。液態(tài)鉛及液態(tài)鉛鉍共晶以其優(yōu)越的物理性能和化學(xué)性能，成為ADS嬗變系統(tǒng)散裂靶兼冷卻劑的首選材料。
[0003]馬氏體耐熱鋼由于具有良好的高溫強(qiáng)度、塑性和足夠高的高溫化學(xué)穩(wěn)定性被廣泛應(yīng)用在核電、化工、石油等工業(yè)部門。9~12% Cr馬氏體耐熱鋼是在傳統(tǒng)馬氏體耐熱鋼的基礎(chǔ)上優(yōu)化化學(xué)成分和熱處理規(guī)范顯著提高了其持久強(qiáng)度。9~12% Cr馬氏體耐熱鋼以其較低的熱膨脹系數(shù)和較高的導(dǎo)熱率等優(yōu)良性能，已成為ADS等先進(jìn)核反應(yīng)系統(tǒng)的包層和包殼候選結(jié)構(gòu)材料。但ADS苛刻的工作環(huán)境(高溫、輻照、液態(tài)金屬腐蝕)，對(duì)9~12% Cr馬氏體耐熱鋼結(jié)構(gòu)材料提出了新的挑戰(zhàn)，且隨著設(shè)備服役溫度的提高和面臨的更為苛刻的腐蝕性環(huán)境，需要進(jìn)一步要求提高結(jié)構(gòu)材料的耐腐蝕性能。
[0004]通過在材料表面增加涂層可以更進(jìn)一步提高ADS嬗變系統(tǒng)用9~12% Cr馬氏體耐熱鋼的耐腐蝕性能。研究結(jié)果顯示，碳化鈦等陶瓷涂層由于與液態(tài)鉛鉍潤(rùn)濕性差等表現(xiàn)出優(yōu)異的耐腐蝕性能而備 受親睞，但是由于9~12% Cr馬氏體耐熱鋼與陶瓷的熱膨脹系數(shù)相差懸殊，在9~12% Cr馬氏體耐熱鋼上制備連續(xù)致密的碳化鈦陶瓷涂層極其困難，已成為制約該涂層發(fā)展的技術(shù)瓶頸。因此，亟待一種合適的表面處理方法，以保證涂層和基體之間有很強(qiáng)的粘著力而不造成涂層的剝落，從而達(dá)到保護(hù)金屬基體的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種在馬氏體耐熱鋼表面進(jìn)行耐液態(tài)金屬腐蝕處理的方法，采用電弧離子鍍?cè)诮饘俦砻驽円粚逾伜?，通過真空熱處理形成碳化鈦涂層，能夠有效的提高金屬的耐液態(tài)金屬腐蝕性能，延長(zhǎng)金屬材料的使用壽命。
[0006]本發(fā)明具體提供了一種提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:首先在馬氏體耐熱鋼表面預(yù)鍍鈦層，然后通過真空熱處理方法使馬氏體耐熱鋼表層的碳與其表面預(yù)鍍的鈦層反應(yīng)，最終形成碳化鈦的陶瓷涂層。
[0007]本發(fā)明所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:采用電弧離子鍍方法在馬氏體耐熱鋼表面預(yù)鍍鈦層。
[0008]本發(fā)明所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:馬氏體耐熱鋼基體中C≤0.1%，Si≤1.0%，尤其適用于9~12% Cr含硅馬氏體耐熱鋼。
[0009]本發(fā)明所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于，包括以下步驟:
[0010](I)、對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理:用金相砂紙打磨金屬試樣，并對(duì)其進(jìn)行表面濕噴砂，經(jīng)金屬洗滌劑清洗后在去離子水中超聲清洗，烘干；
[0011](2)、采用電弧離子鍍?cè)诮饘俦砻骐婂冣亴?，鈦靶的純度?9.9%以上:電弧離子鍍工藝條件:真空室真空度小于8X 10_3Pa，保護(hù)氣體氣壓保持在0.2 — 0.3Pa，爐腔溫度為100 - 120°C，偏壓-800V，偏壓占空比30%，靶基距240mm，電弧電流和電壓分別為50 —60A和-20V，預(yù)濺射清洗3 — 5min，保持其它參數(shù)不變，偏壓調(diào)整為-200 — - 250V，在金屬基體上沉積厚度為2~5 μ m的鈦層；
[0012](3)、通過真空熱處理使金屬表面形成碳化鈦涂層，升溫和降溫速率不超過7 V /min，溫度控制在1000~1150°C，隨爐冷卻。
[0013]本發(fā)明所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:通過真空熱處理使金屬表面形成碳化鈦涂層時(shí)的熱處理制度為:正火溫度1050°C ±50保溫0.5h~Ih,隨爐冷卻到室溫，回火溫度760±50°C保溫Ih~2h后隨爐冷卻。
[0014]本發(fā)明所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:馬氏體耐熱鋼的化學(xué)成分為0.15%≤C≤0.26%，1.0 %≤Si≤1.5%，9%≤Cr≤12%，1.0%^ W ^ 1.5%,0%< Mn ≤ 1.0%, Ta+Nb..( 0.3%,0%< V ≤ 0.2%，余量為鐵。
[0015]本發(fā)明的有益效 果:
[0016]本發(fā)明采用電弧離子鍍?cè)隈R氏體耐熱鋼表面預(yù)鍍鈦層，然后通過真空熱處理使材料表層一定深度的碳與金屬表面預(yù)鍍的鈦層反應(yīng)形成碳化鈦的陶瓷涂層，而不是傳統(tǒng)的直接在金屬表面制備碳化鈦陶瓷涂層，有效地提高了涂層與金屬基體之間的粘著力，降低了涂層與金屬基體剝落的可能性，解決了制約陶瓷涂層發(fā)展的技術(shù)難題，與此同時(shí)金屬中碳和硅含量高，在熱處理過程中表面易于脫碳，發(fā)揮了金屬表層脫碳層與碳化鈦粘著作用，提高了金屬材料的利用率，有效地提高馬氏體耐熱鋼的耐液態(tài)金屬腐蝕性能，延長(zhǎng)其使用壽命O
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為實(shí)施例1鍍鈦后和熱處理后的XRD。
[0018]圖2為實(shí)施例1鍍鈦熱處理后的截面EPMA圖。
[0019]圖3為實(shí)施例1在600°C液態(tài)鉛鉍共晶中腐蝕500小時(shí)的截面形貌。
[0020]圖4為對(duì)比例2在600°C液態(tài)鉛鉍共晶中腐蝕500小時(shí)的截面形貌。
【具體實(shí)施方式】
[0021]以下實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步描述。
[0022]實(shí)施例1
[0023](I)對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理:將15mmX IOmmX 2mm尺寸的金屬試樣用金相砂紙逐級(jí)打磨至800號(hào)，并將所有棱角邊倒成圓角，用200目玻璃丸進(jìn)行表面濕噴砂，經(jīng)金屬洗滌劑清洗后在去離子水中超聲清洗，烘干。
[0024](2)采用電弧離子鍍?cè)诮饘俦砻娉练e一層鈦，鈦靶的純度在99.9%以上；設(shè)備為國(guó)產(chǎn)MIP-8-800型AIP，電弧離子鍍工藝條件:真空室真空度為9X 10_3Pa，保護(hù)氣體Ar氣氣壓保持在0.25Pa，爐腔溫度為110°C，偏壓-800V，偏壓占空比30%，靶基距240mm，電弧電流和電壓分別為55A和-20V，預(yù)濺射清洗4min，保持其它參數(shù)不變，偏壓調(diào)整為-225V，在金屬基體上沉積厚度約為5 μ m的鈦層。
[0025](3)通過真空熱處理工藝在金屬表面形成碳化鈦涂層，升溫和降溫速率不超過7V /min，采用隨爐冷卻，具體的熱處理工藝制度:正火溫度1050°C保溫0.5h，隨爐冷卻到室溫，回火溫度760°C保溫1.5h后隨爐冷卻。
[0026]上述金屬材料為馬氏體耐熱鋼，具體化學(xué)成分為:C:0.25wt.%, S1:1.43wt.%,Cr: 10.8wt.%, Mn:0.54wt.%, W: 1.2wt.%, Ta:0.llwt.%, V:0.19wt.%, Nb:0.01wt.%,
余量為鐵。
[0027]鍍鈦后和熱處理后的XRD見圖1，圖2為鍍鈦熱處理后的截面EPMA圖，圖3為實(shí)施例I在600°C液態(tài)鉛鉍共晶中腐蝕500小時(shí)的截面形貌。
[0028]實(shí)施例2
[0029]9~12% Cr馬氏體耐熱鋼的化學(xué)成分為:C:0.19wt.%, S1:1.05wt.%, Cr:10.05wt.%, Mn:1.06wt.%, W:1.19wt.%，Ta:0.lwt.%, V:0.2wt.%，Nb:0.01wt.%，余量為鐵。該金屬的其他表面處理工藝與實(shí)施例1一樣。
[0030]實(shí)施例3
[0031]9~12% Cr馬氏體耐熱鋼的化學(xué)成分為:C:0.15wt.%, S1:1.23wt.%, Cr:10.46wt.%，Mn:0.41wt.%, W:1.5wt.%，Ta:0.15wt.%, V:0.19wt.%，Nb:0.014wt.%，余量為鐵。該金屬的表面處理工藝與實(shí)施例1 一樣。
[0032]實(shí)施例4
[0033]9~12 % Cr馬氏體耐熱鋼的化學(xué)成分為:C:0.23wt.%, S1:1.3wt.%, Cr:
9.93wt.%，Mn:0.94wt.%, W: 1.16wt.%，Ta:0.lwt.%, V:0.2wt.%，Nb:0.01wt.%，余量為鐵。該金屬的表面處理工藝與實(shí)施例1 一樣。
[0034]實(shí)施例5
[0035]9~12% Cr馬氏體耐熱鋼的化學(xué)成分為:C:0.22wt.%, Si:1.56wt.%, Cr:
10.73wt.%, Mn:0.67wt.%, W:1.4lwt.%, Ta:0.19wt.%, V:0.2lwt.%, Nb:0.01wt.%，余量為鐵。該金屬的表面處理工藝與實(shí)施例1 一樣。
[0036]對(duì)比例I
[0037]將熱處理后的15mmX IOmmX 2mm尺寸的金屬試樣用金相砂紙逐級(jí)打磨至2000號(hào)，并將所有棱角邊倒成圓角，經(jīng)金屬洗滌劑清洗后在去離子水中超聲清洗，烘干，金屬材料的化學(xué)成分和熱處理工藝制度與實(shí)施例1相同。在600°C液態(tài)鉛鉍共晶中腐蝕500小時(shí)截面形貌與對(duì)比例2相差不大。
[0038]對(duì)比例2
[0039]將熱處理后的15mmX IOmmX 2mm尺寸的金屬試樣用金相砂紙逐級(jí)打磨至2000號(hào)，并將所有棱角邊倒成圓角，經(jīng)金屬洗滌劑清洗后在去離子水中超聲清洗，烘干，金屬材料的化學(xué)成分和熱處理工藝制度與實(shí)施例2相同。圖4為對(duì)比例2在600°C液態(tài)鉛鉍共晶中腐蝕500小時(shí)的截面形貌。
[0040]對(duì)比例3
[0041]將熱處理后的15mmX IOmmX 2mm尺寸的金屬試樣用金相砂紙逐級(jí)打磨至2000號(hào)，并將所有棱角邊倒成圓角，經(jīng)金屬洗滌劑清洗后在去離子水中超聲清洗，烘干，金屬材料的化學(xué)成分和熱處理工藝制度與實(shí)施例3相同。在600°C液態(tài)鉛鉍共晶中腐蝕500小時(shí)截面形貌與對(duì)比例2相差不大。
[0042]上述實(shí)施例只為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的 等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:首先在馬氏體耐熱鋼表面預(yù)鍍鈦層，然后通過真空熱處理方法使馬氏體耐熱鋼表層的碳與其表面預(yù)鍍的鈦層反應(yīng)，最終形成碳化鈦的陶瓷涂層。
2.按照權(quán)利要求1所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:采用電弧離子鍍方法在馬氏體耐熱鋼表面預(yù)鍍鈦層。
3.按照權(quán)利要求1所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:馬氏體耐熱鋼基體中C≤0.1%，Si≤1.0%。
4.按照權(quán)利要求1所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于，包括以下步驟: (1)、對(duì)金屬表面進(jìn)行預(yù)處理:用金相砂紙打磨金屬試樣，并對(duì)其進(jìn)行表面濕噴砂，經(jīng)金屬洗滌劑清洗后在去離子水中超聲清洗，烘干； (2)、采用電弧離子鍍?cè)诮饘俦砻骐婂冣亴?，鈦靶的純度?9.9 %以上:電弧離子鍍工藝條件:真空室真空度小于8X 10_3Pa，保護(hù)氣體氣壓保持在0.2 — 0.3Pa，爐腔溫度為100 - 120°C，偏壓-800V，偏壓占空比30%，靶基距240mm，電弧電流和電壓分別為50 —60A和-20V，預(yù)濺射清洗3 — 5min，保持其它參數(shù)不變，偏壓調(diào)整為-200 — - 250V，在金屬基體上沉積厚度為2~5 μ m的鈦層； (3)、通過真空熱處理使金屬表面形成碳化鈦涂層，升溫和降溫速率不超過TC/min,溫度控制在1000~1150°C，隨爐冷卻。
5.按照權(quán)利要求4所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:通過真空熱處理使金屬表面形成碳化鈦涂層時(shí)的熱處理制度為:正火溫度1050°C ±50保溫0.5h~lh，隨爐冷卻到室溫，回火溫度760±50°C保溫Ih~2h后隨爐冷卻。
6.按照權(quán)利要求1~5任一所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:所述馬氏體耐熱鋼為9~12% Cr含娃馬氏體耐熱鋼。
7.按照權(quán)利要求6所述提高馬氏體耐熱鋼耐液態(tài)金屬腐蝕的方法，其特征在于:馬氏體耐熱鋼的化學(xué)成分為 0.15%≤ C ≤ 0.26%, 1.0%^ Si ^ 1.5%,9%^Cr^ 12%,1.0%^ W ^ 1.5%,0%< Mn ( 1.0%, Ta+Nb:≤ 0.3%,0%< V ≤ 0.2%，余量為鐵。
【文檔編號(hào)】C23C14/16GK103993271SQ201410191148
【公開日】2014年8月20日 申請(qǐng)日期:2014年5月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月6日
【發(fā)明者】嚴(yán)偉, 單以銀, 王威, 石全強(qiáng), 楊振國(guó), 楊柯 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所