FeCrNi合金表面CeO2-NiCu復(fù)合鍍層抗結(jié)焦?jié)B碳性能研究*

蔣智煒，楊瑞嵩

(四川輕化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，四川 自貢 643000)

隨著工業(yè)化進(jìn)程的發(fā)展，一些苛刻的工作環(huán)境對(duì)材料表面性能的要求日漸提高。乙烯裂解工業(yè)在進(jìn)行裂解的過程中，其廢熱鍋爐套管內(nèi)表面容易結(jié)焦，嚴(yán)重結(jié)焦會(huì)導(dǎo)致鍋爐維護(hù)操作頻繁，降低生產(chǎn)效率增加不必要的能耗[1-3]，同時(shí)也會(huì)降低爐管的使用壽命。一系列的問題表明，研究廢熱鍋爐管內(nèi)壁結(jié)焦機(jī)理，針對(duì)廢熱鍋爐研發(fā)有效的抑制結(jié)焦技術(shù)是提高工業(yè)生產(chǎn)乙烯效率的重要途徑之一[4-8]。由兩種或兩種以上單金屬元素組成的合金鍍層則具有多種多樣的性能，表面性能的復(fù)雜特殊要求將被滿足。

本文在利用電沉積在FeCrNi合金表面制備NiCu復(fù)合鍍層的基礎(chǔ)上，利用固體滲碳的方式來模擬評(píng)價(jià)CeO2-NiCu復(fù)合鍍層的抗結(jié)焦?jié)B碳性能。通過鍍層增重量的多少，結(jié)合X射線衍射分析、帶能譜的SEM來綜合評(píng)價(jià)其抗?jié)B碳性能的差異。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本實(shí)驗(yàn)所用原材料為FeCrNi合金(陰極)，加工成20 mm×10 mm×5 mm的矩形薄片試樣作為基材，其主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 FeCrNi合金的主要化學(xué)成分

1.2 儀器設(shè)備

DZ PHASER X射線衍射儀,德國布魯克(Bruker)公司;FA10048分析天平,上海越平科學(xué)儀器有限公司;VEGA 3掃描電子顯微鏡,捷克(Tscan)公司;KJ-T1200管式滲碳爐,鄭州科佳電爐有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將不同工藝條件下制備的樣品統(tǒng)一稱量編號(hào)記錄數(shù)據(jù)，由于滲碳前后樣品的質(zhì)量增加變化量相對(duì)微小，因此采用精度更高的FA10048分析天平稱量三次取平均值，然后將稱量完后的各類樣品放在填充粒狀滲碳劑的封口式剛玉瓷舟中(埋藏深度約為2.5 cm)進(jìn)行滲碳的實(shí)驗(yàn)。本實(shí)驗(yàn)在KJ-T1200三段式管式爐中模擬滲碳環(huán)境進(jìn)行，將剛玉舟至于管式爐中段，避免溫差對(duì)滲碳帶來的干擾。本實(shí)驗(yàn)中滲碳溫度為800 ℃，單次滲碳時(shí)間為4～12 h不等，累計(jì)保溫滲碳的總時(shí)長(zhǎng)為76 h。滲碳前首先向管式爐中持續(xù)以流量100 mL/min通CO20.5 h，保證排除管式爐內(nèi)空氣或其余氣體。再以200 mL/min的流量繼續(xù)通入CO2然后開始升溫，保持CO2流量不變，升溫速率控制在5 ℃/min，當(dāng)溫度升至720 ℃時(shí)保溫30 min，使管式爐內(nèi)溫度穩(wěn)定加熱更均勻，后繼續(xù)升溫至800 ℃開始滲碳。每次滲碳后將試樣取出清洗干凈后再吹干稱重記錄數(shù)據(jù)，然后循環(huán)上述步驟。加入無鍍層的普通FeCrNi合金作為空白對(duì)照樣品。

2 結(jié)果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖1為復(fù)合鍍層滲碳前后的X射線衍射圖譜，由圖1(a)可知，滲碳實(shí)驗(yàn)之前復(fù)合鍍層衍射峰的強(qiáng)度較高，通過與標(biāo)準(zhǔn)卡片的比對(duì)，添加的微量納米CeO2顆粒的特征衍射峰，能夠比較明顯分辨出來。而由圖1(b)累計(jì)滲碳72 h后的鎳銅合金及其復(fù)合鍍層XRD圖譜，可以發(fā)現(xiàn)其峰的強(qiáng)度有所降低，說明晶粒在滲碳過程中逐漸粗化結(jié)晶度下降，導(dǎo)致峰的強(qiáng)度下降。并且由于試樣長(zhǎng)時(shí)間處于高溫管爐中，F(xiàn)e元素等擴(kuò)散原子獲得能量超越勢(shì)壘，且空位濃度增大，使其從基材中的涌向試樣表層，與鍍層形成一些復(fù)雜成分的新相。

2.2 掃描電子顯微鏡成像分析

圖2為滲碳前后的復(fù)合鍍層試樣的表面形貌圖，通過滲碳前后表面形貌的對(duì)比可知，鍍層經(jīng)過滲碳后，表面密實(shí)的圓球型團(tuán)簇狀晶粒由此轉(zhuǎn)變?yōu)槠瑢咏诲e(cuò)的塊狀晶粒，且表面夾雜有零星的碳微粒。有鍍層保護(hù)的試樣鍍層基本完好，碳顆粒難以進(jìn)入基材中腐蝕基材造成炭化、結(jié)焦，從而有效保護(hù)了基材本身。

圖2 復(fù)合鍍層滲碳前后的表面形貌

2.3 滲碳結(jié)果分析

圖3 FeCrNi合金及含有復(fù)合鍍層的合金滲碳后鍍層質(zhì)量變化圖

將每次滲碳后的試樣稱重記錄數(shù)據(jù)，算出單位面積的質(zhì)量增加量，圖3為復(fù)合鍍層累計(jì)滲碳76 h后，單位面積的質(zhì)量變化圖，從圖中可以直觀看出含有納米CeO2的鍍層質(zhì)量增加相比于FeCrNi合金有了明顯降低，尤其是在70 h后，增重減少

約40%，說明納米CeO2的復(fù)合鍍層具有較好的抗結(jié)焦?jié)B碳效果。

3 結(jié) 論

通過固體滲碳實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)復(fù)合鍍層的抗?jié)B碳性能。結(jié)果表明添加了CeO2的復(fù)合鍍層具有較好的抗結(jié)焦?jié)B碳效果，尤其是在超過70 h后增重減少約40%，抗結(jié)焦?jié)B碳效果明顯。