FeCrNi合金表面CeO2-NiCu復合鍍層抗結焦滲碳性能研究*

蔣智煒，楊瑞嵩

(四川輕化工大學材料科學與工程學院，四川 自貢 643000)

隨著工業化進程的發展，一些苛刻的工作環境對材料表面性能的要求日漸提高。乙烯裂解工業在進行裂解的過程中，其廢熱鍋爐套管內表面容易結焦，嚴重結焦會導致鍋爐維護操作頻繁，降低生產效率增加不必要的能耗[1-3]，同時也會降低爐管的使用壽命。一系列的問題表明，研究廢熱鍋爐管內壁結焦機理，針對廢熱鍋爐研發有效的抑制結焦技術是提高工業生產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復合鍍層的基礎上，利用固體滲碳的方式來模擬評價CeO2-NiCu復合鍍層的抗結焦滲碳性能。通過鍍層增重量的多少，結合X射線衍射分析、帶能譜的SEM來綜合評價其抗滲碳性能的差異。

1 實驗部分

1.1 實驗材料

本實驗所用原材料為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，其主要化學成分如表1所示。

表1 FeCrNi合金的主要化學成分

1.2 儀器設備

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 實驗方法

將不同工藝條件下制備的樣品統一稱量編號記錄數據，由于滲碳前后樣品的質量增加變化量相對微小，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)進行滲碳的實驗。本實驗在KJ-T1200三段式管式爐中模擬滲碳環境進行，將剛玉舟至于管式爐中段，避免溫差對滲碳帶來的干擾。本實驗中滲碳溫度為800 ℃，單次滲碳時間為4～12 h不等，累計保溫滲碳的總時長為76 h。滲碳前首先向管式爐中持續以流量100 mL/min通CO20.5 h，保證排除管式爐內空氣或其余氣體。再以200 mL/min的流量繼續通入CO2然后開始升溫，保持CO2流量不變，升溫速率控制在5 ℃/min，當溫度升至720 ℃時保溫30 min，使管式爐內溫度穩定加熱更均勻，后繼續升溫至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據，然后循環上述步驟。加入無鍍層的普通FeCrNi合金作為空白對照樣品。

2 結果與討論

2.1 X射線衍射分析

圖1為復合鍍層滲碳前后的X射線衍射圖譜，由圖1(a)可知，滲碳實驗之前復合鍍層衍射峰的強度較高，通過與標準卡片的比對，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)累計滲碳72 h后的鎳銅合金及其復合鍍層XRD圖譜，可以發現其峰的強度有所降低，說明晶粒在滲碳過程中逐漸粗化結晶度下降，導致峰的強度下降。并且由于試樣長時間處于高溫管爐中，Fe元素等擴散原子獲得能量超越勢壘，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為滲碳前后的復合鍍層試樣的表面形貌圖，通過滲碳前后表面形貌的對比可知，鍍層經過滲碳后，表面密實的圓球型團簇狀晶粒由此轉變為片層交錯的塊狀晶粒，且表面夾雜有零星的碳微粒。有鍍層保護的試樣鍍層基本完好，碳顆粒難以進入基材中腐蝕基材造成炭化、結焦，從而有效保護了基材本身。

圖2 復合鍍層滲碳前后的表面形貌

2.3 滲碳結果分析

圖3 FeCrNi合金及含有復合鍍層的合金滲碳后鍍層質量變化圖

將每次滲碳后的試樣稱重記錄數據，算出單位面積的質量增加量，圖3為復合鍍層累計滲碳76 h后，單位面積的質量變化圖，從圖中可以直觀看出含有納米CeO2的鍍層質量增加相比于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的復合鍍層具有較好的抗結焦滲碳效果。

3 結 論

通過固體滲碳實驗評價復合鍍層的抗滲碳性能。結果表明添加了CeO2的復合鍍層具有較好的抗結焦滲碳效果，尤其是在超過70 h后增重減少約40%，抗結焦滲碳效果明顯。