CN113005394B - 一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的j55钢管加工方法 - Google Patents

一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的j55钢管加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管加工方法，包括以下步骤：(1)将J55钢管的内壁表面进行打磨处理；(2)将配置好的渗剂放入步骤(1)处理好的钢管中，钢管的两端进行密封处理；(3)将密封好的钢管放入温控炉中，设置好加热保温时间，进行碳氮硼固体共渗。本发明中J55钢管经稀土催渗碳氮硼共渗后，钢管内壁表面由渗硼层和碳氮共渗层组成，基体表面硬度得到大幅度提高，使钢管内壁具有更好的耐磨性，不易出现划痕，提高其使用寿命；本发明采用稀土催碳氮硼共渗可以缩短保温时间，提高生产效率，减少能源损耗，具有重要的经济意义。

Description

一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管加工方法
技术领域
本发明涉及冶金技术领域，具体涉及一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管加工方法。
背景技术
碳钢被认为是石油和天然气工业中最经济和最常用的材料。然而，由于使用条件下的恶劣环境，碳钢管道的内壁磨损、腐蚀频繁发生，造成了巨大的经济损失和严重的安全问题。大部分碳钢管道埋在地下，磨损行为会受到不同因素的影响，例如沙土、石屑、压力、腐蚀物质的浓度、管道周围流体的流速等。
J55钢管在石油工业中有着无法代替的地位，不仅表现为用量大、费用高，更主要的是其质量、性能对石油工业的发展有重要的影响。J55等级钢是石油、天然气等的开采过程中经常使用的构件，使用过程中油管暴露在水、硫化氢、氯化钠等腐蚀性液体中以及沙子、泥浆和粘土等固体颗粒污染的原油中，使钢管内壁产生严重的磨损。
目前我们所使用的J55钢管大多存在表面硬度不高，耐磨性较差，使用寿命短的问题。通过研究化学热处理对J55钢的组织性能的影响，对其在石油工业的实际应用、安全性评价、寿命预测、磨损行为等方面有着十分重要的价值与意义。钢管的表面处理大致可分为表面涂镀(镍磷镀、镀铬)和表面化学热处理。但还存在许多需要进一步完善的问题，例如在进行碳氮硼共渗时容易出现渗层厚度不均匀，局部区域甚至无法渗透；热处理温度高导致变形较大，硬度梯度大导致渗层脱落等问题，影响整体的工作效率与工作质量。因此，如何利用碳氮硼共渗技术制备耐磨性强、使用寿命长的钢管仍然是一个难题。
发明内容
针对上述现有技术，本发明的目的是提供。本发明一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管加工方法。采用本发明方法处理后的钢管内壁硬度、耐磨性、耐腐蚀性显著提升，钢管的使用寿命大幅度提升，同时也减少了能源损耗。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明的第一方面，提供一种钢管内壁表面固体共渗的方法，包括以下步骤：
(1)将J55钢管的内壁表面进行打磨处理，用无水乙醇清洗钢管内壁并进行烘干；
(2)将配置好的渗剂放入步骤(1)处理好的钢管中，首先对渗剂进行烘干处理，然后将钢管进行密封处理；
(3)将密封好的钢管放入温控炉中，设置好加热保温时间，进行碳氮硼固体共渗。
优选的，步骤(1)中，所述打磨处理为用研磨棒或其他方式对钢管内壁进行打磨，去掉表面的铁锈和氧化层，使其露出新鲜的金属，然后用无水乙醇对钢管内壁清洗，去除油污后烘干。
优选的，步骤(2)中，所述渗剂包括渗硼剂和碳氮共渗剂；所述渗硼剂和碳氮共渗剂的质量比为55：45。
优选的，所述渗硼剂由以下重量百分比的原料组成：稀土5％、硼砂25％、硅钙合金12％、铬铁合金6％、硼铁合金8％、氟硅酸钠17％、氯化铵2％，余量为旧渗剂。
优选的，所述碳氮共渗剂由以下重量百分比的原料组成：碳黑粉55％、尿素25％、无水碳酸钠8％、稀土4％、无水乙酸钠8％。
所述稀土为氯化铈。
渗剂中加入稀土(氯化铈)可加快共渗的过程，提高反应的速度，同时可以改善共渗层的性能。
优选的，步骤(2)中，渗剂放入钢管之前，先将钢管的一端密封好，在钢管中间垂直放入一直径15mm的尼龙棒，然后再把除旧渗剂以外的渗剂缓慢填充到钢管中，填满之后慢慢把尼龙棒抽出，在其空隙中加入旧渗剂(在保证反应充分的前提下，加入旧渗剂可以节省原料，降低成本)，渗剂放置完成后先在温控炉中进行烘干处理，温度为200℃，时间1h，烘干可减少渗剂中的水分，提高反应的准确性。最后盖上盖子，用水玻璃泥封口，完成对钢管的密封处理。
优选的，步骤(3)中，固体共渗温度为900℃，时间为6h。
通过固体共渗处理，钢管内壁的硬度、耐磨性和耐腐蚀性大幅度提高。
本发明的第二方面，提供上述方法在制备渗碳氮硼共渗钢管中的应用。
本发明的第三方面，提供一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管，所述J55钢管的内壁采用上述方法进行固体共渗处理，在钢管内壁的表面形成渗硼层与碳氮共渗层，所述渗硼层位于钢管内壁的最外层，所述渗硼层以针织状楔入钢管内壁的表面。
优选的，所述渗硼层的厚度为70～90μm，硬度为1300～1700Hv；所述碳氮共渗层的厚度为800～1200μm，硬度为900～1100Hv。
本发明的有益效果：
(1)本发明中J55钢管经稀土催渗碳氮硼共渗后，钢管内壁表面由渗硼层和碳氮共渗层组成，基体表面硬度得到大幅度提高，使钢管内壁具有更好的耐磨性，不易出现划痕，提高其使用寿命；
(2)本发明中的渗硼层本身具有脆性，通过添加稀土元素可降低其脆性，且与单一渗硼相比，碳氮共渗层的存在对渗硼层有良好的支撑作用；
(3)本发明采用稀土催碳氮硼共渗可以缩短保温时间，提高生产效率，减少能源损耗，具有重要的经济意义。
附图说明
图1：J55钢管模型图。
图2：稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管示意图，图中：1-钢管内壁、2-渗剂(除旧渗剂外)、3-旧渗剂、4(7)-外盖、5-水玻璃泥、6-J55钢管。
图3：本发明的钢管内壁表面固体共渗的方法流程示意图。
图4：渗硼层与碳氮共渗层显微组织形貌图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
正如背景技术部分介绍的，目前我们所使用的J55钢管大多存在表面硬度不高，耐磨性较差，使用寿命短的问题。对钢管的表面处理还存在渗层厚度不均匀，热处理温度高导致变形较大，硬度梯度大导致渗层脱落等问题，影响整体的工作效率与工作质量。
基于此，本发明的目的是提供一种钢管内壁表面固体共渗的方法。渗剂的组成对于固体共渗的效果有着决定性的作用，为了达到预期效果，本发明的渗剂包括渗硼剂和碳氮共渗剂，两者按质量比55:45配制。渗剂中加入稀土可降低其脆性，且与单一渗硼相比，碳氮共渗层的存在对渗硼层有良好的支撑作用。本发明所使用的的渗剂可在钢管内壁表面形成渗硼层与碳氮共渗层，其中渗硼层位于基体表面，以针织状的形态楔入基体。
为了使得本领域技术人员能够更加清楚地了解本申请的技术方案，以下将结合具体的实施例详细说明本申请的技术方案。
术语说明：本发明中的旧渗剂为使用过的、进行过共渗处理的渗硼剂和/或碳氮共渗剂的残留物；渗硼剂由稀土、硼砂、硅钙合金、铬铁合金、硼铁合金、氟硅酸钠、氯化铵按重量比为5:25:12:6:8:17:2组成；碳氮共渗剂由以下重量百分比的原料组成：碳黑粉55％、尿素25％、无水碳酸钠8％、稀土4％、无水乙酸钠8％。
本发明实施例中所用的试验材料均为本领域常规的试验材料，均可通过商业渠道购买得到。
实施例
用研磨棒或其他方式对J55钢管内壁进行打磨，去掉表面的铁锈和氧化层，使其露出新鲜的金属，然后用无水乙醇对钢管内壁清洗，去除油污后烘干。
首先将钢管的一端密封好，在钢管中间垂直放入一直径15mm的尼龙棒，然后把渗剂缓慢填充到钢管中，填满之后慢慢把尼龙棒抽出，在其空隙中加入旧渗剂，最后盖上盖子，用水玻璃泥封口。
将处理好的钢管放入温控炉中，进行碳氮硼共渗处理。渗剂烘干温度为200℃，时间为1h；固体共渗温度为900℃，时间为6h。加热完成后随炉冷却24h后取出。
所述渗剂由渗硼剂和碳氮共渗剂按重量比55:45组成。
其中，所述渗硼剂由以下重量百分比的原料组成：氯化铈5％、硼砂25％、硅钙合金12％、铬铁合金6％、硼铁合金8％、氟硅酸钠17％、氯化铵2％，余量为旧渗剂。
所述碳氮共渗剂由以下重量百分比的原料组成：碳黑粉55％、尿素25％、无水碳酸钠8％、氯化铈4％、无水乙酸钠8％。
采用上述方法处理后，在钢管内壁表面形成渗硼层与碳氮共渗层。
图3为采用上述方法处理后光学显微镜下的渗硼层与碳氮共渗层。
利用维氏硬度计检测，结果显示渗硼层的厚度大约在70～90μm，硬度大约在1300～1700Hv，以针织状的形态楔入基体(见图4)；碳氮共渗层的厚度大约为800～1200μm，硬度大约在900～1100Hv。与其基体相比硬度大幅度提高。
对比例1：碳氮共渗J55钢管
用研磨棒或其他方式对J55钢管内壁进行打磨，去掉表面的铁锈和氧化层，使其露出新鲜的金属，然后用无水乙醇对钢管内壁清洗，去除油污后烘干。
首先将钢管的一端密封好，然后把渗剂缓慢填充到钢管中，填满之后盖上盖子，用水玻璃泥封口。
将处理好的钢管放入温控炉中，进行碳氮共渗处理。钢管内壁表面烘干温度为200℃，时间1h；固体共渗温度为900℃，时间为6h。加热完成后随炉冷却24h后取出。
所述碳氮共渗剂由以下重量百分比的原料组成：碳黑粉55％、尿素25％、无水碳酸钠8％、氯化铈4％、无水乙酸钠8％。
碳氮共渗层的厚度为70～80μm，利用维氏硬度计检测，碳氮共渗层的硬度为1200～1600Hv。
对比例2：渗硼J55钢管
用研磨棒或其他方式对J55钢管内壁进行打磨，去掉表面的铁锈和氧化层，使其露出新鲜的金属，然后用无水乙醇对钢管内壁清洗，去除油污后烘干。
首先将钢管的一端密封好，在钢管中间垂直放入一直径15mm的尼龙棒，然后把渗剂缓慢填充到钢管中，填满之后慢慢把尼龙棒抽出，在其空隙中加入旧渗剂，最后盖上盖子，用水玻璃泥封口。
将处理好的钢管放入温控炉中，进行渗硼处理。钢管内壁表面烘干温度为200℃，时间1h；固体共渗温度为900℃，时间为6h。加热完成后随炉冷却24h后取出。
所述渗硼剂由以下重量百分比的原料组成：氯化铈5％、硼砂25％、硅钙合金12％、铬铁合金6％、硼铁合金8％、氟硅酸钠17％、氯化铵2％，余量为旧渗剂。
渗硼层的厚度为900～1300μm，利用维氏硬度计检测，渗硼层的硬度为800～1000Hv。
对比例3：碳氮硼共渗钢管
用研磨棒或其他方式对J55钢管内壁进行打磨，去掉表面的铁锈和氧化层，使其露出新鲜的金属，然后用无水乙醇对钢管内壁清洗，去除油污后烘干。
首先将钢管的一端密封好，在钢管中间垂直放入一直径15mm的尼龙棒，然后把渗剂缓慢填充到钢管中，填满之后慢慢把尼龙棒抽出，在其空隙中加入旧渗剂，最后盖上盖子，用水玻璃泥封口。
将处理好的钢管放入温控炉中，进行碳氮硼共渗处理。固体共渗温度为900℃，时间为6h。加热完成后随炉冷却24h后取出。
所述渗剂由渗硼剂和碳氮共渗剂按重量比55:45组成。
其中，所述渗硼剂由以下重量百分比的原料组成：氯化铈5％、硼砂25％、硅钙合金12％、铬铁合金6％、硼铁合金8％、氟硅酸钠17％、氯化铵2％，余量为旧渗剂。
所述碳氮共渗剂由以下重量百分比的原料组成：碳黑粉55％、尿素25％、无水碳酸钠8％、氯化铈4％、无水乙酸钠8％。
渗硼层的厚度为70～90μm，碳氮共渗层的厚度为800～1200μm，利用维氏硬度计检测渗硼层的硬度为1300～1700Hv，碳氮共渗层的硬度为900～1100Hv。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种钢管内壁表面固体共渗的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将J55钢管的内壁表面进行打磨处理，用无水乙醇清洗钢管内壁并进行烘干；
(2)将配置好的渗剂放入步骤(1)处理好的钢管中，首先对渗剂进行烘干处理，然后将钢管进行密封处理；所述渗剂包括渗硼剂和碳氮共渗剂；
所述渗硼剂和碳氮共渗剂的质量比为55：45；所述渗硼剂由以下重量百分比的原料组成：稀土5％、硼砂25％、硅钙合金12％、铬铁合金6％、硼铁合金8％、氟硅酸钠17％、氯化铵2％，余量为旧渗剂；所述碳氮共渗剂由以下重量百分比的原料组成：碳黑粉55％、尿素25％、无水碳酸钠8％、稀土4％、无水乙酸钠8％；
渗剂放入钢管之前，先将钢管的一端密封好，在钢管中间垂直放入一直径15mm的尼龙棒，然后再把除旧渗剂以外的渗剂缓慢填充到钢管中，填满之后慢慢把尼龙棒抽出，在其空隙中加入旧渗剂，最后盖上盖子，用水玻璃泥封口，完成对钢管的密封处理；所述烘干温度为200℃，时间为1h；
(3)将密封好的钢管放入温控炉中，设置好加热保温时间，进行碳氮硼固体共渗。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，所述打磨处理为用研磨棒对钢管内壁进行打磨，去掉表面的铁锈和氧化层，使其露出新鲜的金属，然后用无水乙醇对钢管内壁清洗，去除油污后烘干。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)中，固体共渗温度为900℃，时间为6h。
4.权利要求1～3中任一项所述的方法在制备渗碳氮硼共渗钢管中的应用。
5.一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管，其特征在于，所述J55钢管的内壁采用权利要求1～3中任一项所述的方法进行固体共渗处理，在钢管内壁的表面形成渗硼层与碳氮共渗层，所述渗硼层位于钢管内壁的最外层，所述渗硼层以针织状楔入钢管内壁的表面。
6.根据权利要求5所述的一种基于稀土催渗碳氮硼共渗的J55钢管，其特征在于，所述渗硼层的厚度为70～90μm，硬度为1300～1700Hv；所述碳氮共渗层的厚度为800～1200μm，硬度为900～1100Hv。
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