CN105386051A

CN105386051A - 一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法

Info

Publication number: CN105386051A
Application number: CN201410456587.7A
Authority: CN
Inventors: 严伟; 石全强; 单以银; 杨振国; 王威; 杨柯
Original assignee: Institute of Metal Research of CAS
Current assignee: Institute of Metal Research of CAS
Priority date: 2014-09-09
Filing date: 2014-09-09
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2034-09-09
Also published as: CN105386051B

Abstract

本发明的目的在于提供一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：在马氏体耐热钢表面喷涂搪瓷粉层，经过固化反应后制备搪瓷涂层。采用该方法在马氏体耐热钢表面进行处理，能够有效的提高金属的耐液态金属腐蚀性能，延长金属材料的使用寿命。

Description

一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法

技术领域

本发明属于金属表面处理技术领域，特别提供一种在马氏体耐热钢表面制备搪瓷涂层以提高其耐液态金属腐蚀的方法。

背景技术

随着能源危机的加剧，开发安全、能量密度高、环境友好型的新能源迫在眉睫。核电是应对这些挑战较理想的选择，但核废物的处理问题一直制约着核电的可持续发展。ADS嬗变系统(AcceleratorDrivensub-criticalSystem)以其高效利用核废料及高的系统安全性，是目前最有发展前途的核废物嬗变系统。液态铅及液态铅铋共晶合金以其优越的物理性能和化学性能，成为ADS嬗变系统散裂靶兼冷却剂的首选材料。

马氏体耐热钢由于具有良好的高温强度、塑性和足够高的高温化学稳定性被广泛应用在核电、化工、石油等工业部门。9～12％Cr马氏体耐热钢是在传统马氏体耐热钢的基础上优化化学成分和热处理规范显著提高了其持久强度。9～12％Cr马氏体耐热钢以其较低的热膨胀系数、较高的导热率和低廉的价格(相比较于奥氏体钢)等优良性能，已成为ADS等先进核反应系统的包层和包壳候选结构材料。但ADS苛刻的工作环境(高温、辐照、液态金属腐蚀)，对9～12％Cr马氏体耐热钢结构材料提出了新的挑战，且随着设备服役温度的提高和面临的更为苛刻的腐蚀性环境，需要进一步要求提高结构材料的耐腐蚀性能。

通过在材料表面增加涂层可以更进一步提高ADS嬗变系统用9～12％Cr马氏体耐热钢的耐腐蚀性能。研究表明，搪瓷涂层具有独特的化学惰性造成其与液态铅铋的润湿性差且与合金基体形成界面的化学结合，价格相对低廉且抗界面剥落能力通常优于传统的陶瓷涂层而表现出优异的耐高温氧化性能而备受亲睐，但是在低氧浓度下的关于搪瓷涂层耐液态铅铋的腐蚀性能国内外报告很少。因此，研究搪瓷涂层在真空度低于0.1Pa下耐液态金属的腐蚀性能且保证搪瓷涂层和金属基体之间有很强的粘着力而不致使搪瓷涂层的剥落，从而达到保护金属基体的目的具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在马氏体耐热钢表面制备搪瓷涂层后提高金属的耐液态金属腐蚀性能的工艺方法，首先在马氏体耐热钢表面喷涂搪瓷粉层，经过固化反应后制备搪瓷涂层，能够有效的提高金属的耐液态金属腐蚀性能，延长金属材料的使用寿命。

本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：搪瓷配料在1400±50℃高温熔融，充分反应后水冷，通过球磨获得搪瓷粉末。所述搪瓷配料的主要成分为SiO₂和Al₂O₃，其中55％≤SiO₂≤60％，10％≤Al₂O₃≤20％。

本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：所述马氏体耐热钢为9～12％Cr马氏体耐热钢，优选化学成分为0.1％≤C≤0.3％，0％≤Si≤2％，9％≤Cr≤12％，0％≤W≤2％，0％＜Mn≤1.0％，Ta+Nb≤0.3％，0％＜V≤0.2％，余量为铁。

本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：所述液态金属为250℃～700℃的铅铋共晶，且液态铅铋中的氧浓度低于氧化铅的生成浓度。

本发明所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、对金属表面进行预处理：金属试样用600号金相砂纸打磨、倒角，并对其进行表面喷沙，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干；

(2)、将搪瓷配料在1400±50℃高温熔融，充分反应后水冷，通过球磨得到搪瓷粉末；

(3)、将搪瓷粉与无水乙醇混合，喷涂于金属表面，烘干后通过固化反应在700℃～760℃烧结成一定厚度的搪瓷涂层。

本发明的有益效果：

本发明采用经过高温熔融充分反应所得搪瓷粉末与无水乙醇混合后，喷涂于金属表面，经过固化反应后在金属表面制备搪瓷涂层，且搪瓷涂层的本征结构为硅氧四面体[SiO4]，其与液态铅铋的相容性较差，液态金属在搪瓷涂层表面不易发生过度粘附，有效地保护金属基体在较低氧浓度下发生溶解腐蚀，非常适合作为液态LBE环境下金属的防护涂层，在700℃～760℃烧结后搪瓷涂层与金属基体的粘着力较强，从而降低了涂层与金属基体剥落的可能性，且烧结温度低于材料的回火温度，对材料的组织性能基本上没有影响，有效地提高金属的耐液态金属腐蚀性能，延长金属的使用寿命。

附图说明

图1为实施例1制备的搪瓷涂层截面图。

图2为实施例1在600℃真空度低于0.1Pa液态铅铋腐蚀500小时后的截面形貌。

图3为对比例1在600℃真空度低于0.1Pa液态铅铋腐蚀500小时后的截面形貌。

具体实施方式

以下实施例将对本发明做进一步描述。

实施例1

(1)对金属表面进行预处理：将15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至600号，并将所有棱角边倒成圆角，然后对金属表面喷沙，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干；

(2)将优化设计的搪瓷配料在1400℃高温熔融，充分反应后水冷，通过球磨制成搪瓷粉末，搪瓷的主要成分为SiO₂：58.26％，Al₂O₃：19.2％，CaO：3.66％，ZrO₂：5.29％，B₂O₃：4.66％，Na₂O：3.40％，KNO₃：5.53％；

(3)将搪瓷粉末与无水乙醇混合，喷涂于金属表面，烘干后通过固化反应在金属表面在730℃±10℃烧结成约40μm搪瓷涂层。

上述金属材料为马氏体耐热钢，具体化学成分为：C：0.25wt.％，Si：1.43wt.％，Cr：10.8wt.％，Mn：0.54wt.％，W：1.2wt.％，Ta：0.11wt.％，V：0.19wt.％，Nb：0.01wt.％，余量为铁。

通过上述方法制备的搪瓷涂层截面见图1，图2为在600℃真空度低于0.1Pa液态铅铋腐蚀500小时后的截面形貌，图1和图2对比可以看出，搪瓷涂层的厚度并没有发生变化，证明搪瓷涂层没有发生溶解腐蚀。

实施例2

9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.19wt.％，Si：1.05wt.％，Cr：10.05wt.％，Mn：1.06wt.％，W：1.19wt.％，Ta：0.1wt.％，V：0.2wt.％，Nb：0.01wt.％，余量为铁。该金属的其他表面处理工艺与实施例1一样。

实施例3

9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.15wt.％，Si：1.23wt.％，Cr：10.46wt.％，Mn：0.41wt.％，W：1.5wt.％，Ta：0.15wt.％，V：0.19wt.％，Nb：0.014wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1一样。

实施例4

9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.23wt.％，Si：1.3wt.％，Cr：9.93wt.％，Mn：0.94wt.％，W：1.16wt.％，Ta：0.1wt.％，V：0.2wt.％，Nb：0.01wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1一样。

实施例5

9～12％Cr马氏体耐热钢的化学成分为：C：0.22wt.％，Si：1.56wt.％，Cr：10.73wt.％，Mn：0.67wt.％，W：1.41wt.％，Ta：0.19wt.％，V：0.21wt.％，Nb：0.01wt.％，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1一样。

对比例1

将热处理后的15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例1相同。在600℃真空度低于0.1Pa液态铅铋腐蚀500小时后的截面形貌如图3所示，金属表面没有形成氧化膜，发生溶解腐蚀。

对比例2

将热处理后的15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例2相同，在600℃真空度低于0.1Pa液态铅铋腐蚀500小时截面形貌与对比例1相差不大。

对比例3

将热处理后的15mm×10mm×2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至2000号，并将所有棱角边倒成圆角，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干，金属材料的化学成分与实施例3相同，在600℃真空度低于0.1Pa液态铅铋腐蚀500小时截面形貌与对比例1相差不大。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：在马氏体耐热钢表面喷涂搪瓷粉层，经过固化反应后制备搪瓷涂层。

2.按照权利要求1所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：将搪瓷配料在1400±50℃高温熔融，充分反应后水冷，通过球磨获得搪瓷粉末。

3.按照权利要求1或2所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：所述马氏体耐热钢为9～12％Cr马氏体耐热钢。

4.按照权利要求3任一所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：马氏体耐热钢的化学成分为0.1％≤C≤0.3％，0％≤Si≤2％，9％≤Cr≤12％，0％≤W≤2％，0％＜Mn≤1.0％，Ta+Nb≤0.3％，0％＜V≤0.2％，余量为铁。

5.按照权利要求1、2或4所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于：液态金属为250℃～700℃的铅铋共晶，且液态铅铋中的氧浓度低于氧化铅的生成浓度。

6.按照权利要求1、2或4所述提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法，其特征在于，具体步骤如下：

(3)、将搪瓷粉与无水乙醇混合，喷涂于金属表面，烘干后通过固化反应在700℃～760℃烧结成搪瓷涂层。