CN104762458A - 一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，该方法是用旋压机械设备对材料的表面进行循环滚压研磨，滚压压头的材料为硬质合金，研磨压力小于等于20MPa，研磨旋转有效尺寸为Ф100-Ф220mm，研磨时间为30～60min，研磨旋转速度小于等于65rpm。以解决现有方法中抗氧化性能不理想，纳米层容易从基体上剥落，加快材料氧化且污染环境，以及受工件尺寸影响，无法处理大尺寸工件的问题。本发明属于耐热钢性能改良领域。
Description
技术领域
本发明涉及一种表面纳米化方法，具体涉及提高超（超）临界锅炉过热器和再热器钢管在高温水蒸汽条件下抗氧化性能的方法。
背景技术
目前超（超）临界机组高温受热面（过热器、再热器）管子失效的原因中，外壁腐蚀和内壁水蒸汽氧化占有重要的地位，也是引起锅炉爆漏事故的本质原因之一。奥氏体耐热钢是目前超（超）临界机组高温受热面（过热器、再热器）中广泛使用的材料，但奥氏体耐热钢的高温水蒸汽氧化腐蚀导致锅炉爆管引起机组非计划停运。工程金属材料的许多性能，如疲劳、腐蚀和氧化等，对材料的表面结构和性能极其敏感，而材料的失稳也多始于表面。采用有效的工艺技术手段对管子表面进行处理，提高材料的抗氧化性能，有效地降低氧化产物的生长速率，可以减小事故的发生，延长管子的使用寿命，提高锅炉的安全运行水平。
为了降低耐热钢高温水蒸汽氧化带来的各种风险，人们也提出了各种技术方法来改善其抗氧化性能，例如，（1）对材料表面进行镀Cr处理；（2）超音速颗粒轰击法；（3）超声喷丸等。
这些方法在一定程度上能够提高材料的抗高温水蒸汽氧化性能，但均存在一定的局限性。方法（1）形成的表面镀Cr纳米层能够在机组正常运作高温下保持一定的稳定性，能够提高材料的的抗氧化性能，但其主要问题就是，在机组启停的热循环工况下，由于与基体结合问题，容易发生开裂剥落，从而使基体材料直接暴露在高温水蒸汽环境下，反而加快了材料的氧化速率，并且会带来严重的环境问题。
方法（2）可以通过轰击材料的方法得到表面纳米层，这种纳米层细化晶粒，对材料的抗氧化性能有一定的促进作用，但其问题主要是，轰击处理时，轰击颗粒运动是具有一定的方向性，一般与材料表面成90度夹角，因此材料纳米化方向也是具有局限性的，并且超音速轰击时容易使得轰击颗粒残留在材料表面，影响材料的抗氧化性能。
方法（3）中现有的喷丸处理技术是以单一的金属材料比如钢丸作为喷丸材料，可以使得材料表层晶粒解体，组织得到细化，对材料的抗氧化性能有效，但其问题主要是，其产生的金属喷丸的碎屑容易残留在工件表面，会降低不锈钢的抗腐蚀性能，并且处理过程处于一个密闭的腔体内，能够表面纳米化的工件形状和尺寸有限，无法处理大尺寸的工件。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，以解决现有方法中抗氧化性能不理想，纳米层容易从基体上剥落，加快材料氧化且污染环境，以及受工件尺寸影响，无法处理大尺寸工件的问题。
本发明的方案如下：一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，该方法是用旋压机械设备对材料的表面进行循环滚压研磨，滚压压头的材料为硬质合金，研磨压力小于等于20MPa，研磨旋转有效尺寸为Ф100-Ф220mm，研磨时间为30～60min，研磨旋转速度小于等于65rpm；
优选地，所述旋压机械设备为四柱旋压机；
优选地，所述方法的具体工艺过程如下：先对滚圆柱体进行清洗检查，将滚圆柱体安装在压盘上，设定液压机械设备的压轴转速、研磨压力等工艺参数，对样品进行试研磨，确定研磨的位置在板材的中间，将板材用砂纸进行打磨，再抛光成镜面，清洗试样表面，然后对试样进行表面机械研磨处理，最后对处理后的试样进行表面清理；
优选地，板材打磨步骤中，用砂纸从200号一直打磨至3000号；
优选地，所述旋压机械设备的液压控制采用插装阀集成系统，采用PLC控制，电气系统结构紧凑，采用按钮集中控制，具有调整、双手单次循环二种操作方式；
优选地，所述滚压压头一共有6个，呈六节点三角形对应分布于压盘上；
优选地，滚压压头的材料为进口钨钢；
优选地，所述研磨压力为10MPa，研磨试样尺寸为60*60mm，研磨时间为30min，研磨旋转速度为2rpm；
相对于现有技术，本发明具有如下优点：即通过表面机械研磨，使得耐热钢表层获得极细晶粒尺寸的组织，有效地提高耐热钢在高温水蒸汽中的抗氧化性能；适用于处理大尺寸工件表面，并且能够有效减小对样品表面的破坏，不会影响工件的进一步加工和使用。并且表面循环滚压处理后的表面能够获得比较均匀的处理面，不会像喷丸等强烈塑性变形处理带来的样品处理的不均匀性问题。在滚柱对样品表面进行循环滚压时，金属表面发生了极为强烈的塑性变形，使样品表面晶粒细化，位错密度、空位大幅增加，有利于Cr元素的扩散以及在金属表面形成氧化物的成核核心，提高金属的抗高温蒸汽氧化性能。
说明书附图
图1是Super304H奥氏体耐热钢经过10MPa压力下表面机械研磨处理后的金相组织图；
图2是Super304H奥氏体耐热钢经过10MPa压力下表面机械研磨处理后经700℃×25h水蒸汽氧化后氧化膜形貌图；
图3是Super304H奥氏体耐热钢未处理经700℃×25h水蒸汽氧化后氧化膜形貌；
图4是Super304H奥氏体耐热钢经过8MPa压力下表面机械研磨处理后的金相组织图；
图5是Super304H奥氏体耐热钢经过8MPa压力下表面机械研磨处理后经700℃×25h水蒸汽氧化后氧化膜形貌图；
图6是四柱旋压机的结构示意图，
其中，1表示液压压轴、2表示液压机、3表示压盘、4表示旋转平台、5表示PLC控制柜、6表示按钮控制系统、7表示动力机构、8表示液压缸。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述，
实施例1：
提供一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化的制备方法：
参照图6，采用四柱旋压机，通过液压油来传递压力。滚压压头的材料为GCr15，待处理样品为高铬奥氏体耐热钢Super304H，研磨压力为10MPa，研磨试样尺寸为60*60mm，研磨时间为30min，研磨速度为2rpm。
在表面机械研磨前，首先对压盘3上的滚圆柱体进行清洗检查，并将其安装在压盘3上。设定四柱旋压机的压轴转速等工艺参数，对样品进行试研磨，确定研磨的位置在板材的中间。将板材经过砂纸从200号一直打磨至3000号，然后再抛光成镜面，将研磨压力设定为10MPa，研磨时间为30min，对耐热钢试样进行表面机械研磨处理，最后对处理后的试样进行表面清理。通过金相观察，可以看出经过表面机械研磨处理的Super304H耐热钢表层发生了大量塑性变形，晶粒细化，见附图1。
将经过表面机械研磨处理过的试样与未处理的试样进行对比实验，实验条件为：氧化温度为700℃，氧化时间为25h，氧化氛围为高温水蒸汽。氧化实验结束后，对经表面机械研磨处理与未处理的试样表层氧化膜中Cr元素含量进行检测，并计算出Cr的相对含量。通过扫描电子显微镜对经表面机械研磨处理与未处理的试样截面氧化膜形态与厚度进行检测。
从表1可以看出，表面机械研磨处理对Super304H试样氧化膜中Cr元素的相对含量有提高作用，Super304H试样经过表面机械研磨处理后氧化膜中Cr元素相对含量比未处理试样高1.9%。
表面机械研磨处理过的试样经过700℃、25小时的水蒸气氧化实验，氧化膜形貌见附图2，而未处理试样氧化膜形貌见附图3，可以看出经过表面机械研磨处理过的试样其氧化膜厚度大大减小，只有约未处理过试样氧化膜厚度的28%，对提高Super304H奥氏体耐热钢的抗高温水蒸汽氧化性能有明显效果。
在滚柱对样品表面进行循环滚压时，金属表面发生了极为强烈的塑性变形，使样品表面晶粒细化，位错密度、空位大幅增加。在高温水蒸汽氧化过程中，Cr元素会沿晶界、亚晶界和位错等向表面扩散，经过表面机械研磨处理的Super304H试样中引入了更多的快速扩散通道，可以加快Cr元素的扩散，从而Cr的氧化物相对含量得以提高，有利于在金属表面形成致密的Cr2O3氧化物膜，提高金属的抗高温水蒸汽氧化性能。
实施例2：
提供一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化的制备方法：
参照图6，采用四柱旋压机，通过液压油来传递压力。滚压压头的材料为GCr15，待处理样品为高铬奥氏体耐热钢Super304H，研磨压力为8MPa，研磨试样尺寸为60*60mm，研磨时间为30min，研磨速度为2rpm。
在表面机械研磨前，首先对压盘3上的滚圆柱体进行清洗检查，并将其安装在压盘3上。设定四柱旋压机的压轴转速等工艺参数，对样品进行试研磨，确定研磨的位置在板材的中间。将板材经过砂纸从200号一直打磨至3000号，然后再抛光成镜面，将研磨压力设定为8MPa，研磨时间为30min，对耐热钢试样进行表面机械研磨处理，最后对处理后的试样进行表面清理。通过金相观察，可以看出经过表面机械研磨处理的Super304H耐热钢表层发生了大量塑性变形，晶粒细化，见附图4。
将经过表面机械研磨处理过的试样与未处理的试样进行对比实验，实验条件为：氧化温度为700℃，氧化时间为25h，氧化氛围为高温水蒸汽。氧化实验结束后，对经表面机械研磨处理与未处理的试样表层氧化膜中Cr元素含量进行检测，并计算出Cr的相对含量。通过扫描电子显微镜对经表面机械研磨处理与未处理的试样截面氧化膜形态与厚度进行检测。
从表2可以看出，实施例2进行与实施例1相同的对比实验，经检测发现，实施例2中表面机械研磨处理对Super304H试样氧化膜中Cr元素的相对含量同样有提高作用，Super304H试样经过表面机械研磨处理后氧化膜中Cr元素相对含量比未处理试样高4.7%。
表面机械研磨处理过的试样经过700℃、25小时的水蒸气氧化实验，氧化膜形貌见附图5，而未处理试样氧化膜形貌见附图3，可以看出经过表面机械研磨处理过的试样其氧化膜厚度大大减小，只有约未处理过试样氧化膜厚度的35%，对提高Super304H奥氏体耐热钢的抗高温水蒸汽氧化性能有明显效果。
Claims (8)
1.一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于，该方法是用旋压机械设备对材料的表面进行循环滚压研磨，滚压压头的材料为硬质合金，研磨压力小于等于20MPa，研磨旋转有效尺寸范围为Ф100-Ф220mm，研磨时间为30～60min，研磨旋转速度小于等于65rpm。
2.根据权利要求1所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：所述旋压机械设备为四柱旋压机。
3.根据权利要求2所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：所述方法的具体工艺过程如下：先对滚圆柱体进行清洗检查，将滚圆柱体安装在压盘上，设定液压机械设备的压轴转速、研磨压力等工艺参数，对样品进行试研磨，确定研磨的位置在板材的中间，将板材用砂纸进行打磨，再抛光成镜面，清洗试样表面，然后对试样进行表面机械研磨处理，最后对处理后的试样进行表面清理。
4.根据权利要求3所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：板材打磨步骤中，用砂纸从200号一直打磨至3000号。
5.根据权利要求1或2所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：所述旋压机械设备的液压控制采用插装阀集成系统，采用PLC控制，电气系统结构紧凑，采用按钮集中控制，具有调整、双手单次循环二种操作方式。
6.根据权利要求1所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：所述滚压压头一共有6个，呈六节点三角形对应分布于压盘上。
7.根据权利要求1所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：滚压压头的材料为进口钨钢。
8.根据权利要求1所述一种提高耐热钢抗氧化性能的表面纳米化制备方法，其特征在于：所述研磨压力为10MPa，研磨试样尺寸为60*60mm，研磨时间为30min，研磨旋转速度为2rpm。
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