FeCrNi合金表面CeO2-NiCu复合镀层抗结焦渗碳性能研究*

蒋智炜，杨瑞嵩

(四川轻化工大学材料科学与工程学院，四川 自贡 643000)

随着工业化进程的发展，一些苛刻的工作环境对材料表面性能的要求日渐提高。乙烯裂解工业在进行裂解的过程中，其废热锅炉套管内表面容易结焦，严重结焦会导致锅炉维护操作频繁，降低生产效率增加不必要的能耗[1-3]，同时也会降低炉管的使用寿命。一系列的问题表明，研究废热锅炉管内壁结焦机理，针对废热锅炉研发有效的抑制结焦技术是提高工业生产乙烯效率的重要途径之一[4-8]。由两种或两种以上单金属元素组成的合金镀层则具有多种多样的性能，表面性能的复杂特殊要求将被满足。

本文在利用电沉积在FeCrNi合金表面制备NiCu复合镀层的基础上，利用固体渗碳的方式来模拟评价CeO2-NiCu复合镀层的抗结焦渗碳性能。通过镀层增重量的多少，结合X射线衍射分析、带能谱的SEM来综合评价其抗渗碳性能的差异。

1 实验部分

1.1 实验材料

本实验所用原材料为FeCrNi合金(阴极)，加工成20 mm×10 mm×5 mm的矩形薄片试样作为基材，其主要化学成分如表1所示。

表1 FeCrNi合金的主要化学成分

1.2 仪器设备

DZ PHASER X射线衍射仪,德国布鲁克(Bruker)公司;FA10048分析天平,上海越平科学仪器有限公司;VEGA 3扫描电子显微镜,捷克(Tscan)公司;KJ-T1200管式渗碳炉,郑州科佳电炉有限公司。

1.3 实验方法

将不同工艺条件下制备的样品统一称量编号记录数据，由于渗碳前后样品的质量增加变化量相对微小，因此采用精度更高的FA10048分析天平称量三次取平均值，然后将称量完后的各类样品放在填充粒状渗碳剂的封口式刚玉瓷舟中(埋藏深度约为2.5 cm)进行渗碳的实验。本实验在KJ-T1200三段式管式炉中模拟渗碳环境进行，将刚玉舟至于管式炉中段，避免温差对渗碳带来的干扰。本实验中渗碳温度为800 ℃，单次渗碳时间为4～12 h不等，累计保温渗碳的总时长为76 h。渗碳前首先向管式炉中持续以流量100 mL/min通CO20.5 h，保证排除管式炉内空气或其余气体。再以200 mL/min的流量继续通入CO2然后开始升温，保持CO2流量不变，升温速率控制在5 ℃/min，当温度升至720 ℃时保温30 min，使管式炉内温度稳定加热更均匀，后继续升温至800 ℃开始渗碳。每次渗碳后将试样取出清洗干净后再吹干称重记录数据，然后循环上述步骤。加入无镀层的普通FeCrNi合金作为空白对照样品。

2 结果与讨论

2.1 X射线衍射分析

图1为复合镀层渗碳前后的X射线衍射图谱，由图1(a)可知，渗碳实验之前复合镀层衍射峰的强度较高，通过与标准卡片的比对，添加的微量纳米CeO2颗粒的特征衍射峰，能够比较明显分辨出来。而由图1(b)累计渗碳72 h后的镍铜合金及其复合镀层XRD图谱，可以发现其峰的强度有所降低，说明晶粒在渗碳过程中逐渐粗化结晶度下降，导致峰的强度下降。并且由于试样长时间处于高温管炉中，Fe元素等扩散原子获得能量超越势垒，且空位浓度增大，使其从基材中的涌向试样表层，与镀层形成一些复杂成分的新相。

2.2 扫描电子显微镜成像分析

图2为渗碳前后的复合镀层试样的表面形貌图，通过渗碳前后表面形貌的对比可知，镀层经过渗碳后，表面密实的圆球型团簇状晶粒由此转变为片层交错的块状晶粒，且表面夹杂有零星的碳微粒。有镀层保护的试样镀层基本完好，碳颗粒难以进入基材中腐蚀基材造成炭化、结焦，从而有效保护了基材本身。

图2 复合镀层渗碳前后的表面形貌

2.3 渗碳结果分析

图3 FeCrNi合金及含有复合镀层的合金渗碳后镀层质量变化图

将每次渗碳后的试样称重记录数据，算出单位面积的质量增加量，图3为复合镀层累计渗碳76 h后，单位面积的质量变化图，从图中可以直观看出含有纳米CeO2的镀层质量增加相比于FeCrNi合金有了明显降低，尤其是在70 h后，增重减少

约40%，说明纳米CeO2的复合镀层具有较好的抗结焦渗碳效果。

3 结 论

通过固体渗碳实验评价复合镀层的抗渗碳性能。结果表明添加了CeO2的复合镀层具有较好的抗结焦渗碳效果，尤其是在超过70 h后增重减少约40%，抗结焦渗碳效果明显。