一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法
【专利摘要】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：首先在马氏体耐热钢表面预镀一层钛层，然后通过真空热处理方法使马氏体耐热钢表层的碳与其表面预镀的钛层反应，最终形成碳化钛的陶瓷涂层。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。
【专利说明】一种提高马氏体耐热钢耐液态金属腐蚀的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属表面处理【技术领域】，特别提供一种对金属表面进行涂层、热处理的工艺方法。
【背景技术】
[0002]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(Accelerator Driven Transmutation System)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。
[0003]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和较高的导热率等优良性能，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。
[0004]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。研究结果显示，碳化钛等陶瓷涂层由于与液态铅铋润湿性差等表现出优异的耐腐蚀性能而备 受亲睐，但是由于9~12% Cr马氏体耐热钢与陶瓷的热膨胀系数相差悬殊，在9~12% Cr马氏体耐热钢上制备连续致密的碳化钛陶瓷涂层极其困难，已成为制约该涂层发展的技术瓶颈。因此，亟待一种合适的表面处理方法，以保证涂层和基体之间有很强的粘着力而不造成涂层的剥落，从而达到保护金属基体的目的。
【发明内容】
[0005]本发明的目的在于提供一种在马氏体耐热钢表面进行耐液态金属腐蚀处理的方法，采用电弧离子镀在金属表面镀一层钛后，通过真空热处理形成碳化钛涂层，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。
[0006]本发明具体提供了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:首先在马氏体耐热钢表面预镀钛层，然后通过真空热处理方法使马氏体耐热钢表层的碳与其表面预镀的钛层反应，最终形成碳化钛的陶瓷涂层。
[0007]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:采用电弧离子镀方法在马氏体耐热钢表面预镀钛层。
[0008]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:马氏体耐热钢基体中C≤0.1%，Si≤1.0%，尤其适用于9~12% Cr含硅马氏体耐热钢。
[0009]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:
[0010](I)、对金属表面进行预处理:用金相砂纸打磨金属试样，并对其进行表面湿喷砂，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干；
[0011](2)、采用电弧离子镀在金属表面电镀钛层，钛靶的纯度在99.9%以上:电弧离子镀工艺条件:真空室真空度小于8X 10_3Pa，保护气体气压保持在0.2 — 0.3Pa，炉腔温度为100 - 120°C，偏压-800V，偏压占空比30%，靶基距240mm，电弧电流和电压分别为50 —60A和-20V，预溅射清洗3 — 5min，保持其它参数不变，偏压调整为-200 — - 250V，在金属基体上沉积厚度为2~5 μ m的钛层；
[0012](3)、通过真空热处理使金属表面形成碳化钛涂层，升温和降温速率不超过7 V /min，温度控制在1000~1150°C，随炉冷却。
[0013]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:通过真空热处理使金属表面形成碳化钛涂层时的热处理制度为:正火温度1050°C ±50保温0.5h~Ih,随炉冷却到室温，回火温度760±50°C保温Ih~2h后随炉冷却。
[0014]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:马氏体耐热钢的化学成分为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%，余量为铁。
[0015]本发明的有益效 果:
[0016]本发明采用电弧离子镀在马氏体耐热钢表面预镀钛层，然后通过真空热处理使材料表层一定深度的碳与金属表面预镀的钛层反应形成碳化钛的陶瓷涂层，而不是传统的直接在金属表面制备碳化钛陶瓷涂层，有效地提高了涂层与金属基体之间的粘着力，降低了涂层与金属基体剥落的可能性，解决了制约陶瓷涂层发展的技术难题，与此同时金属中碳和硅含量高，在热处理过程中表面易于脱碳，发挥了金属表层脱碳层与碳化钛粘着作用，提高了金属材料的利用率，有效地提高马氏体耐热钢的耐液态金属腐蚀性能，延长其使用寿命O
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1为实施例1镀钛后和热处理后的XRD。
[0018]图2为实施例1镀钛热处理后的截面EPMA图。
[0019]图3为实施例1在600°C液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
[0020]图4为对比例2在600°C液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
【具体实施方式】
[0021]以下实施例将对本发明做进一步描述。
[0022]实施例1
[0023](I)对金属表面进行预处理:将15mmX IOmmX 2mm尺寸的金属试样用金相砂纸逐级打磨至800号，并将所有棱角边倒成圆角，用200目玻璃丸进行表面湿喷砂，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干。
[0024](2)采用电弧离子镀在金属表面沉积一层钛，钛靶的纯度在99.9%以上；设备为国产MIP-8-800型AIP，电弧离子镀工艺条件:真空室真空度为9X 10_3Pa，保护气体Ar气气压保持在0.25Pa，炉腔温度为110°C，偏压-800V，偏压占空比30%，靶基距240mm，电弧电流和电压分别为55A和-20V，预溅射清洗4min，保持其它参数不变，偏压调整为-225V，在金属基体上沉积厚度约为5 μ m的钛层。
[0025](3)通过真空热处理工艺在金属表面形成碳化钛涂层，升温和降温速率不超过7V /min，采用随炉冷却，具体的热处理工艺制度:正火温度1050°C保温0.5h，随炉冷却到室温，回火温度760°C保温1.5h后随炉冷却。
[0026]上述金属材料为马氏体耐热钢，具体化学成分为:C:0.25wt.%, S1:1.43wt.%,Cr: 10.8wt.%, Mn:0.54wt.%, W: 1.2wt.%, Ta:0.llwt.%, V:0.19wt.%, Nb:0.01wt.%,
余量为铁。
[0027]镀钛后和热处理后的XRD见图1，图2为镀钛热处理后的截面EPMA图，图3为实施例I在600°C液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
[0028]实施例2
[0029]9~12% Cr马氏体耐热钢的化学成分为:C:0.19wt.%, S1:1.05wt.%, Cr:10.05wt.%, Mn:1.06wt.%, W:1.19wt.%，Ta:0.lwt.%, V:0.2wt.%，Nb:0.01wt.%，余量为铁。该金属的其他表面处理工艺与实施例1一样。
[0030]实施例3
[0031]9~12% Cr马氏体耐热钢的化学成分为:C:0.15wt.%, S1:1.23wt.%, Cr:10.46wt.%，Mn:0.41wt.%, W:1.5wt.%，Ta:0.15wt.%, V:0.19wt.%，Nb:0.014wt.%，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1 一样。
[0032]实施例4
[0033]9~12 % Cr马氏体耐热钢的化学成分为:C:0.23wt.%, S1:1.3wt.%, Cr:
9.93wt.%，Mn:0.94wt.%, W: 1.16wt.%，Ta:0.lwt.%, V:0.2wt.%，Nb:0.01wt.%，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1 一样。
[0034]实施例5
[0035]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:1.4lwt.%, Ta:0.19wt.%, V:0.2lwt.%, Nb:0.01wt.%，余量为铁。该金属的表面处理工艺与实施例1 一样。
[0036]对比例I
[0037]将热处理后的15mmX IOmmX 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和热处理工艺制度与实施例1相同。在600°C液态铅铋共晶中腐蚀500小时截面形貌与对比例2相差不大。
[0038]对比例2
[0039]将热处理后的15mmX IOmmX 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和热处理工艺制度与实施例2相同。图4为对比例2在600°C液态铅铋共晶中腐蚀500小时的截面形貌。
[0040]对比例3
[0041]将热处理后的15mmX IOmmX 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和热处理工艺制度与实施例3相同。在600°C液态铅铋共晶中腐蚀500小时截面形貌与对比例2相差不大。
[0042]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。
【权利要求】
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:首先在马氏体耐热钢表面预镀钛层，然后通过真空热处理方法使马氏体耐热钢表层的碳与其表面预镀的钛层反应，最终形成碳化钛的陶瓷涂层。
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:采用电弧离子镀方法在马氏体耐热钢表面预镀钛层。
3.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:马氏体耐热钢基体中C≤0.1%，Si≤1.0%。
4.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，包括以下步骤: (1)、对金属表面进行预处理:用金相砂纸打磨金属试样，并对其进行表面湿喷砂，经金属洗涤剂清洗后在去离子水中超声清洗，烘干； (2)、采用电弧离子镀在金属表面电镀钛层，钛靶的纯度在99.9 %以上:电弧离子镀工艺条件:真空室真空度小于8X 10_3Pa，保护气体气压保持在0.2 — 0.3Pa，炉腔温度为100 - 120°C，偏压-800V，偏压占空比30%，靶基距240mm，电弧电流和电压分别为50 —60A和-20V，预溅射清洗3 — 5min，保持其它参数不变，偏压调整为-200 — - 250V，在金属基体上沉积厚度为2~5 μ m的钛层； (3)、通过真空热处理使金属表面形成碳化钛涂层，升温和降温速率不超过TC/min,温度控制在1000~1150°C，随炉冷却。
5.按照权利要求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:通过真空热处理使金属表面形成碳化钛涂层时的热处理制度为:正火温度1050°C ±50保温0.5h~lh，随炉冷却到室温，回火温度760±50°C保温Ih~2h后随炉冷却。
6.按照权利要求1~5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:所述马氏体耐热钢为9~12% Cr含娃马氏体耐热钢。
7.按照权利要求6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 0.15%≤ 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%，余量为铁。
【文档编号】C23C14/16GK103993271SQ201410191148
【公开日】2014年8月20日 申请日期:2014年5月6日 优先权日:2014年5月6日
【发明者】严伟, 单以银, 王威, 石全强, 杨振国, 杨柯 申请人:中国科学院金属研究所