一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種表面納米化方法，具體涉及提高超(超）臨界鍋爐過(guò)熱器和再熱器 鋼管在高溫水蒸汽條件下抗氧化性能的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前超(超）臨界機(jī)組高溫受熱面(過(guò)熱器、再熱器）管子失效的原因中，外壁腐蝕 和內(nèi)壁水蒸汽氧化占有重要的地位，也是引起鍋爐爆漏事故的本質(zhì)原因之一。奧氏體耐熱 鋼是目前超(超）臨界機(jī)組高溫受熱面(過(guò)熱器、再熱器）中廣泛使用的材料，但奧氏體耐熱 鋼的高溫水蒸汽氧化腐蝕導(dǎo)致鍋爐爆管引起機(jī)組非計(jì)劃停運(yùn)。工程金屬材料的許多性能， 如疲勞、腐蝕和氧化等，對(duì)材料的表面結(jié)構(gòu)和性能極其敏感，而材料的失穩(wěn)也多始于表面。 采用有效的工藝技術(shù)手段對(duì)管子表面進(jìn)行處理，提高材料的抗氧化性能，有效地降低氧化 產(chǎn)物的生長(zhǎng)速率，可以減小事故的發(fā)生，延長(zhǎng)管子的使用壽命，提高鍋爐的安全運(yùn)行水平。
[0003] 為了降低耐熱鋼高溫水蒸汽氧化帶來(lái)的各種風(fēng)險(xiǎn)，人們也提出了各種技術(shù)方法來(lái) 改善其抗氧化性能，例如，（1)對(duì)材料表面進(jìn)行鍍Cr處理；（2)超音速顆粒轟擊法；（3)超 聲噴丸等。
[0004] 這些方法在一定程度上能夠提高材料的抗高溫水蒸汽氧化性能，但均存在一定的 局限性。方法（1)形成的表面鍍Cr納米層能夠在機(jī)組正常運(yùn)作高溫下保持一定的穩(wěn)定性， 能夠提高材料的的抗氧化性能，但其主要問(wèn)題就是，在機(jī)組啟停的熱循環(huán)工況下，由于與基 體結(jié)合問(wèn)題，容易發(fā)生開(kāi)裂剝落，從而使基體材料直接暴露在高溫水蒸汽環(huán)境下，反而加快 了材料的氧化速率，并且會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。
[0005] 方法（2 )可以通過(guò)轟擊材料的方法得到表面納米層，這種納米層細(xì)化晶粒，對(duì)材料 的抗氧化性能有一定的促進(jìn)作用，但其問(wèn)題主要是，轟擊處理時(shí)，轟擊顆粒運(yùn)動(dòng)是具有一定 的方向性，一般與材料表面成90度夾角，因此材料納米化方向也是具有局限性的，并且超 音速轟擊時(shí)容易使得轟擊顆粒殘留在材料表面，影響材料的抗氧化性能。
[0006] 方法（3)中現(xiàn)有的噴丸處理技術(shù)是以單一的金屬材料比如鋼丸作為噴丸材料，可 以使得材料表層晶粒解體，組織得到細(xì)化，對(duì)材料的抗氧化性能有效，但其問(wèn)題主要是，其 產(chǎn)生的金屬噴丸的碎肩容易殘留在工件表面，會(huì)降低不銹鋼的抗腐蝕性能，并且處理過(guò)程 處于一個(gè)密閉的腔體內(nèi)，能夠表面納米化的工件形狀和尺寸有限，無(wú)法處理大尺寸的工件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于：提供一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，以 解決現(xiàn)有方法中抗氧化性能不理想，納米層容易從基體上剝落，加快材料氧化且污染環(huán)境， 以及受工件尺寸影響，無(wú)法處理大尺寸工件的問(wèn)題。
[0008] 本發(fā)明的方案如下：一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，該方法 是用旋壓機(jī)械設(shè)備對(duì)材料的表面進(jìn)行循環(huán)滾壓研磨，滾壓壓頭的材料為硬質(zhì)合金，研磨壓 力小于等于20MPa，研磨旋轉(zhuǎn)有效尺寸為〇 100-0 220mm，研磨時(shí)間為30~60min，研磨旋轉(zhuǎn) 速度小于等于65rpm; 優(yōu)選地，所述旋壓機(jī)械設(shè)備為四柱旋壓機(jī)； 優(yōu)選地，所述方法的具體工藝過(guò)程如下：先對(duì)滾圓柱體進(jìn)行清洗檢查，將滾圓柱體安裝 在壓盤(pán)上，設(shè)定液壓機(jī)械設(shè)備的壓軸轉(zhuǎn)速、研磨壓力等工藝參數(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行試研磨，確定 研磨的位置在板材的中間，將板材用砂紙進(jìn)行打磨，再拋光成鏡面，清洗試樣表面，然后對(duì) 試樣進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，最后對(duì)處理后的試樣進(jìn)行表面清理； 優(yōu)選地，板材打磨步驟中，用砂紙從200號(hào)一直打磨至3000號(hào)； 優(yōu)選地，所述旋壓機(jī)械設(shè)備的液壓控制采用插裝閥集成系統(tǒng)，采用PLC控制，電氣系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)緊湊，采用按鈕集中控制，具有調(diào)整、雙手單次循環(huán)二種操作方式； 優(yōu)選地，所述滾壓壓頭一共有6個(gè)，呈六節(jié)點(diǎn)三角形對(duì)應(yīng)分布于壓盤(pán)上； 優(yōu)選地，滾壓壓頭的材料為進(jìn)口鎢鋼； 優(yōu)選地，所述研磨壓力為lOMPa，研磨試樣尺寸為60*60mm，研磨時(shí)間為30min，研磨旋 轉(zhuǎn)速度為2rpm; 相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：即通過(guò)表面機(jī)械研磨，使得耐熱鋼表層獲得極 細(xì)晶粒尺寸的組織，有效地提高耐熱鋼在高溫水蒸汽中的抗氧化性能；適用于處理大尺寸 工件表面，并且能夠有效減小對(duì)樣品表面的破壞，不會(huì)影響工件的進(jìn)一步加工和使用。并且 表面循環(huán)滾壓處理后的表面能夠獲得比較均勻的處理面，不會(huì)像噴丸等強(qiáng)烈塑性變形處理 帶來(lái)的樣品處理的不均勻性問(wèn)題。在滾柱對(duì)樣品表面進(jìn)行循環(huán)滾壓時(shí)，金屬表面發(fā)生了極 為強(qiáng)烈的塑性變形，使樣品表面晶粒細(xì)化，位錯(cuò)密度、空位大幅增加，有利于Cr元素的擴(kuò)散 以及在金屬表面形成氧化物的成核核心，提高金屬的抗高溫蒸汽氧化性能。
[0009] 說(shuō)明書(shū)附圖 圖1是Super304H奧氏體耐熱鋼經(jīng)過(guò)lOMPa壓力下表面機(jī)械研磨處理后的金相組織 圖； 圖2是Super304H奧氏體耐熱鋼經(jīng)過(guò)lOMPa壓力下表面機(jī)械研磨處理后經(jīng)700°CX25h 水蒸汽氧化后氧化膜形貌圖； 圖3是Super304H奧氏體耐熱鋼未處理經(jīng)700°CX25h水蒸汽氧化后氧化膜形貌； 圖4是Super304H奧氏體耐熱鋼經(jīng)過(guò)8MPa壓力下表面機(jī)械研磨處理后的金相組織圖； 圖5是Super304H奧氏體耐熱鋼經(jīng)過(guò)8MPa壓力下表面機(jī)械研磨處理后經(jīng)700°CX25h 水蒸汽氧化后氧化膜形貌圖； 圖6是四柱旋壓機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖， 其中，1表示液壓壓軸、2表示液壓機(jī)、3表示壓盤(pán)、4表示旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、5表示PLC控制柜、 6表示按鈕控制系統(tǒng)、7表示動(dòng)力機(jī)構(gòu)、8表示液壓缸。
【具體實(shí)施方式】
[0010] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地詳細(xì) 描述， 實(shí)施例1: 提供一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化的制備方法： 參照?qǐng)D6,采用四柱旋壓機(jī)，通過(guò)液壓油來(lái)傳遞壓力。滾壓壓頭的材料為GCrl5,待處理 樣品為高絡(luò)奧氏體耐熱鋼Super304H，研磨壓力為lOMPa，研磨試樣尺寸為60*60mm，研磨時(shí) 間為30min，研磨速度為2rpm。
[0011] 在表面機(jī)械研磨前，首先對(duì)壓盤(pán)3上的滾圓柱體進(jìn)行清洗檢查，并將其安裝在壓 盤(pán)3上。設(shè)定四柱旋壓機(jī)的壓軸轉(zhuǎn)速等工藝參數(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行試研磨，確定研磨的位置在板 材的中間。將板材經(jīng)過(guò)砂紙從200號(hào)一直打磨至3000號(hào)，然后再拋光成鏡面，將研磨壓力 設(shè)定為lOMPa，研磨時(shí)間為30min，對(duì)耐熱鋼試樣進(jìn)行表面機(jī)械研磨處理，最后對(duì)處理后的 試樣進(jìn)行表面清理。通過(guò)金相觀察，可以看出經(jīng)過(guò)表面機(jī)械研磨處理的Super304H耐熱鋼 表層發(fā)生了大量塑性變形，晶粒細(xì)化，見(jiàn)附圖1。
[0012] 將經(jīng)過(guò)表面機(jī)械研磨處理過(guò)的試樣與未處理的試樣進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件為： 氧化溫度為700°C，氧化時(shí)間為25h，氧化氛圍為高溫水蒸汽。氧化實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)經(jīng)表面機(jī) 械研磨處理與未處理的試樣表層氧化膜中Cr元素含量進(jìn)行檢測(cè)，并計(jì)算出Cr的相對(duì)含量。 通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)經(jīng)表面機(jī)械研磨處理與未處理的試樣截面氧化膜形態(tài)與厚度進(jìn)行 檢測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在于，該方法是用旋壓 機(jī)械設(shè)備對(duì)材料的表面進(jìn)行循環(huán)滾壓研磨，滾壓壓頭的材料為硬質(zhì)合金，研磨壓力小于等 于20MPa，研磨旋轉(zhuǎn)有效尺寸范圍為〇 100-0220111111，研磨時(shí)間為30~60min，研磨旋轉(zhuǎn)速度 小于等于65rpm〇
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在 于：所述旋壓機(jī)械設(shè)備為四柱旋壓機(jī)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在 于：所述方法的具體工藝過(guò)程如下：先對(duì)滾圓柱體進(jìn)行清洗檢查，將滾圓柱體安裝在壓盤(pán) 上，設(shè)定液壓機(jī)械設(shè)備的壓軸轉(zhuǎn)速、研磨壓力等工藝參數(shù)，對(duì)樣品進(jìn)行試研磨，確定研磨的 位置在板材的中間，將板材用砂紙進(jìn)行打磨，再拋光成鏡面，清洗試樣表面，然后對(duì)試樣進(jìn) 行表面機(jī)械研磨處理，最后對(duì)處理后的試樣進(jìn)行表面清理。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在 于：板材打磨步驟中，用砂紙從200號(hào)一直打磨至3000號(hào)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特 征在于：所述旋壓機(jī)械設(shè)備的液壓控制采用插裝閥集成系統(tǒng)，采用PLC控制，電氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 緊湊，采用按鈕集中控制，具有調(diào)整、雙手單次循環(huán)二種操作方式。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在 于：所述滾壓壓頭一共有6個(gè)，呈六節(jié)點(diǎn)三角形對(duì)應(yīng)分布于壓盤(pán)上。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在 于：滾壓壓頭的材料為進(jìn)口鎢鋼。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，其特征在 于：所述研磨壓力為lOMPa，研磨試樣尺寸為60*60mm，研磨時(shí)間為30min，研磨旋轉(zhuǎn)速度為 2rpm〇
【專利摘要】本發(fā)明提供一種提高耐熱鋼抗氧化性能的表面納米化制備方法，該方法是用旋壓機(jī)械設(shè)備對(duì)材料的表面進(jìn)行循環(huán)滾壓研磨，滾壓壓頭的材料為硬質(zhì)合金，研磨壓力小于等于20MPa，研磨旋轉(zhuǎn)有效尺寸為Ф100-Ф220mm，研磨時(shí)間為30～60min，研磨旋轉(zhuǎn)速度小于等于65rpm。以解決現(xiàn)有方法中抗氧化性能不理想，納米層容易從基體上剝落，加快材料氧化且污染環(huán)境，以及受工件尺寸影響，無(wú)法處理大尺寸工件的問(wèn)題。本發(fā)明屬于耐熱鋼性能改良領(lǐng)域。
【IPC分類】C21D7-04
【公開(kāi)號(hào)】CN104762458
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510206894
【發(fā)明人】陳俊衛(wèi), 牧灝, 蔣震
【申請(qǐng)人】貴州電力試驗(yàn)研究院
【公開(kāi)日】2015年7月8日
【申請(qǐng)日】2015年4月28日