專利名稱：采用熱反應(yīng)處理由含鐵制品形成珠光體的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及采用熱反應(yīng)處理由含鐵制品制備珠光體的方法。
背景技術(shù)：
由于碳鋼相對(duì)便宜，碳鋼在石化工業(yè)中廣為應(yīng)用。大家知道鉻合金提高了碳鋼的抗腐蝕能力，但是鉻是一種貴重金屬。因此，就想找到既不用貴重合金又能提高防腐能力的方法。
珠光體是鋼的一種微結(jié)構(gòu)組分，它由鐵層(以立方體為中心的鐵體)和碳化鐵(Fe3C)層交替組成。此珠光體微結(jié)構(gòu)對(duì)某此酸具有特定的抗腐蝕作用，例如對(duì)有機(jī)酸具有抗腐蝕作用。因此，珠光體可作為貴重金屬鉻合金的替代品，但是由于珠光體是由碳鋼制備的，其中含有至少0.77％的碳，這樣珠光體的強(qiáng)度性能就限制了它在大體積結(jié)構(gòu)材料中的許多應(yīng)用。
因此，在本領(lǐng)域中需要一種能從含鐵的制品中制備珠光體的方法，此方法能保持鐵制品的機(jī)械性能。
附圖簡(jiǎn)述

圖1是掃描電子顯微照片，(a)圖表示純鐵在50％CO∶50％H2的環(huán)境中，溫度為775℃，熱反應(yīng)處理1小時(shí)后的表面珠光體結(jié)構(gòu)，而(b)圖為放大的表面積圖，表明鐵(Fe)和碳化鐵(Fe3C)形成大致并列的薄層狀，或小板狀以產(chǎn)生層狀的兩相結(jié)構(gòu)。在此掃描電子顯微照片中碳化鐵層顯得淺，而鐵層為凹穴狀，這是因?yàn)殍F比碳化鐵浸蝕得更深。這些圖顯示出，根據(jù)本發(fā)明制備的最終產(chǎn)品具有珠光體表面。
圖2是在775℃，CO和H2的比例分別為50％∶50％和97.5％∶2.5％的環(huán)境下，根據(jù)本發(fā)明的方法所形成的表面珠光體厚度隨反應(yīng)時(shí)間變化的函數(shù)圖。
圖3表示在775℃，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法所形成的表面珠光體厚度隨H2在CO中的含量變化的函數(shù)圖。
圖4表示在CO和H2的比例為50％∶50％，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)時(shí)，根據(jù)本發(fā)明的方法所形成的表面珠光體厚度隨溫度變化的函數(shù)圖。
發(fā)明概述本發(fā)明涉及從含鐵制品中制備珠光體的方法，包括如下步驟(a)加熱含鐵制品，此含鐵制品中鐵的含量至少50wt％，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間和足夠高的溫度下，將此含鐵制品中的鐵的至少一部分，由鐵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化成為奧氏結(jié)構(gòu)，(b)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間，溫度范圍為727～900℃下，將此奧氏結(jié)構(gòu)暴露在碳過飽和的環(huán)境中，使碳擴(kuò)散到此奧氏結(jié)構(gòu)中，以及(c)冷卻此含鐵制品以形成連續(xù)的珠光體結(jié)構(gòu)。
碳過飽和環(huán)境在這里定義為碳的熱動(dòng)力學(xué)活性比整體(unity)大的環(huán)境。已知CO是最具潛力轉(zhuǎn)化為碳的分子，有H2存在于CO中，更有利于碳的轉(zhuǎn)化。下列的反應(yīng)式表示可以從含碳的環(huán)境中將碳轉(zhuǎn)移到金屬表面。
(1)(2)(3)反應(yīng)式[1]是最快的動(dòng)力學(xué)步驟因此CO-H2混合氣體，作為優(yōu)選的混合氣體用于制備碳過飽和環(huán)境。氫氣在一氧化碳?xì)怏w中的典型含量范圍大約為2.5vol％～90vol％，優(yōu)選大約為10vol％～60vol％。
用于本發(fā)明的含鐵制品必須不含任何碳。從鐵制品暴露的環(huán)境中得到的碳足以形成珠光體結(jié)構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明，將奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)檫B續(xù)的珠光體層。如圖4所示，轉(zhuǎn)化過程的優(yōu)選溫度范圍大約為727～900℃。超過此溫度，珠光體相將失去它的連續(xù)性，并且失去防腐作用。
時(shí)間和溫度對(duì)鐵轉(zhuǎn)化為奧氏鐵的作用，在本領(lǐng)域已眾所周知。
發(fā)明詳述本發(fā)明包括將含鐵制品暴露在碳過飽和氣體環(huán)境中，在此鐵被轉(zhuǎn)化為奧氏體，然后冷卻此制品以得到連續(xù)的珠光體層。完成奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)化的優(yōu)選溫度范圍如圖4所示。優(yōu)選的碳過飽和環(huán)境的組成對(duì)應(yīng)于如圖3所示的高原區(qū)域。在此區(qū)域中，得到特定厚度的珠光體的反應(yīng)時(shí)間較短，因此在此區(qū)域中氣體組成的經(jīng)濟(jì)性就更具吸引力。為獲得不同厚度的連續(xù)珠光體的反應(yīng)時(shí)間可參照?qǐng)D2來決定。
此方法可用來得到任何厚度的連續(xù)的珠光體。它也可用來將含鐵制品完全轉(zhuǎn)化成珠光體。因此本發(fā)明可以很容易控制珠光體的產(chǎn)生，以制備連續(xù)的珠光體層，或?qū)⒑F制品中的所有鐵轉(zhuǎn)化為連續(xù)的珠光體結(jié)構(gòu)。所以珠光體結(jié)構(gòu)可以是作用在含鐵制品表面的連續(xù)珠光體層，或者是完全轉(zhuǎn)化的珠光體制品。珠光體層的厚度可以通過碳過飽和環(huán)境，反應(yīng)溫度和暴露的時(shí)間來控制。此暴露時(shí)間可由本領(lǐng)域的技術(shù)人員方便地加以測(cè)定，如圖2所示。
圖3所示的結(jié)果是，在反應(yīng)溫度為775℃，反應(yīng)時(shí)間為1小時(shí)的熱反應(yīng)處理后，在純鐵上形成的表面珠光體的厚度隨碳過飽和的混合氣體的組成的變化函數(shù)圖。在特定的CO-H2混合氣體組成區(qū)域內(nèi)，可以得到最大厚度的表面珠光體。氫氣在一氧化碳中的典型含量范圍大約在2.5vol％～90vol％，優(yōu)選大約為10vol％～60vol％。
珠光體層的厚度可以為任何想要的厚度。所有必須的條件是，在所示的溫度下，改變暴露在碳過飽和氣體環(huán)境中的時(shí)間。為了得到薄層珠光體，暴露的時(shí)間就較短，為了得到較厚的珠光體，暴露的時(shí)間就較長(zhǎng)。典型的暴露時(shí)間大約為1分鐘到50小時(shí)，優(yōu)選大約為5分鐘到25小時(shí)，而最優(yōu)選大約為10分鐘到10小時(shí)。因此，想要在下列步驟(c)中得到想要厚度的珠光體，暴露時(shí)間和反應(yīng)溫度都是必備的條件。應(yīng)當(dāng)注意到，如果整個(gè)含鐵制品能轉(zhuǎn)化為珠光體，此制品的厚度就是所需的厚度，這一點(diǎn)很重要。
通常，薄層厚度或結(jié)構(gòu)厚度的范圍至少大約為10微米一直到作用在含鐵制品上的厚度，優(yōu)選大約為10～1000微米，更優(yōu)選大約為10～500微米。
當(dāng)含鐵制品由鐵的晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為奧氏體結(jié)構(gòu)時(shí)，所有必須的條件是，要加熱此含鐵制品。本領(lǐng)域的技術(shù)人員參考已發(fā)表的任何Fe-C兩相圖(例如ASM專業(yè)手冊(cè)，碳鋼和合金鋼(ASM Specialty Handbook，Carbon and Alloy Steels)，J.R.Davis編，第366頁(yè)(1996)，ASMInternational)，就能夠很容易確定完成這種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化所必需的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)溫度。
冷卻步驟(c)，將決定所形成的珠光體的層狀間隔。本領(lǐng)域的技術(shù)人員考慮到珠光體形成的溫度，冷卻速度和含鐵制品的組成，就容易決定冷卻速度，以得到想要粗糙度的珠光體，或?qū)訝铋g隔的珠光體。
在要起反應(yīng)的含鐵制品中，其鐵的含量至少大約為50wt％。此制品可全由鐵組成。在此制品中碳的含量范圍小于0.77wt％到0wt％。因此，本發(fā)明讓專業(yè)技術(shù)人員自含鐵制品制備的珠光體比含有0.77wt％或更多碳的碳鋼具有更好的機(jī)械機(jī)能。此含鐵制品可包括其它組分，這些組分包括但是不只限于鉻，硅和鎂。本發(fā)明的所有必要條件是，起反應(yīng)的含鐵制品中，鐵的含量至少大約為50wt％。
另外，已有一定量的珠光體與鐵結(jié)合在一起的制品，據(jù)本發(fā)明，能將其中的鐵轉(zhuǎn)化為珠光體。
含鐵制品暴露其中的碳過飽和環(huán)境是任何碳的過飽和環(huán)境。在過飽和環(huán)境中，碳的熱動(dòng)力學(xué)活性大于1。適合此環(huán)境的實(shí)例包括但不限于CO，CH4，或其他的碳?xì)浠衔餁怏w，如丙烷(C3H8)及其與H2，O2，N2，H2O的混合物。
本發(fā)明讓技術(shù)人員制備的鋼，與含有0.77wt％或更多的碳的碳鋼相比，其防腐性能和機(jī)械性能要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過碳鋼。這是因?yàn)殡S著含碳量的減少，鋼材的機(jī)械性能提高。在本發(fā)明中，從碳過飽和環(huán)境中擴(kuò)散到含鐵制品中的碳量，被用來制備珠光體。部分含鐵制品沒有轉(zhuǎn)化為珠光體，它的機(jī)械性能沒有變，保持依本發(fā)明處理前的機(jī)械性能。例如，形成想要厚度的珠光體層所須的碳量，可擴(kuò)散到含鐵制品中，以形成珠光體。此含鐵制品中的非珠光體部分的機(jī)械性能保持不變。
下列實(shí)施例是說明性的，并不意味著有任何的限制。
實(shí)施例1在一個(gè)垂直的石英反應(yīng)管中，99.99％純度的鐵，在氫氣的環(huán)境中加熱到775℃，并在此溫度保持大約5分鐘。然后此環(huán)境改變成50％CO-50％H2。暴露一小時(shí)后，通過降低石英反應(yīng)器周圍的爐子的溫度來冷卻金屬樣品。當(dāng)樣品的溫度達(dá)到室溫時(shí)，用掃描電子顯微鏡檢測(cè)樣品表面的微結(jié)構(gòu)。圖1a表示在鐵表面形成的100微米厚度的珠光體的表面層。此珠光體的微結(jié)構(gòu)的放大圖1b表明，鐵層與碳化鐵層是交替出現(xiàn)的。如圖2所示，通過改變鐵鐵制品暴露在碳過飽和氣體環(huán)境的時(shí)間，就能改變珠光體層的厚度。
權(quán)利要求
1.一種從含鐵制品中制備珠光體的方法，包括如下步驟(a)加熱含鐵制品，所述含鐵制品中鐵的含量至少50wt％，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間和足夠高的溫度下，將所述含鐵制品中的一部分鐵由鐵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為奧氏結(jié)構(gòu)，(b)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間和溫度范圍大約為727～900℃下，將所述奧氏結(jié)構(gòu)暴露在碳過飽和的環(huán)境以使碳擴(kuò)散到所述奧氏結(jié)構(gòu)中，以及(c)冷卻所述含鐵制品從而形成連續(xù)的珠光體結(jié)構(gòu)。
2.權(quán)利要求1的方法，其中所述含鐵制品進(jìn)一步包括硅，鎂及其混合物。
3.權(quán)利要求2的方法，其中所述碳過飽和環(huán)境選自CO，CH4，碳?xì)浠衔餁怏w，C3H8及其與氫氣、氧氣、氮?dú)?、一氧化碳和水的溫合氣體。
4.權(quán)利要求3的方法，其中所述碳過飽和環(huán)境是CO/H2的氣體環(huán)境。
5.權(quán)利要求4的方法，其中所述CO/H2的氣體環(huán)境被選為碳過飽和環(huán)境，氫氣在一氧化碳中的含量范圍大約為2.5vol％～90vol％。
6.權(quán)利要求1的方法，其中將碳擴(kuò)散到奧氏體結(jié)構(gòu)中的足夠長(zhǎng)的所述時(shí)間范圍為大約1分鐘到大約50小時(shí)。
7.權(quán)利要求1的方法，其中所述珠光體的厚度為至少大約10微米。
8.權(quán)利要求5的方法，其中氫氣在一氧化碳中的含量范圍大約為10vol％～60vol％。
全文摘要
本發(fā)明涉及從含鐵制品中制備珠光體的方法，包括如下步驟(a)加熱含鐵制品，所述含鐵制品中鐵的含量至少50wt％，在足夠長(zhǎng)的時(shí)間和足夠高的溫度下，將所述含鐵制品中的鐵的一部分由鐵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)化為奧氏結(jié)構(gòu)，(b)在足夠長(zhǎng)的時(shí)間，溫度范圍為727～900℃下，將所述奧氏結(jié)構(gòu)暴露在碳過飽和的環(huán)境以使碳擴(kuò)散到所述奧氏結(jié)構(gòu)中，以及(c)冷卻所述含鐵制品以形成連續(xù)的珠光體結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)C23C8/08GK1575345SQ02821182
公開日2005年2月2日 申請(qǐng)日期2002年10月8日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者全昌旻, 特里庫(kù)爾·阿南塔拉曼·拉馬納拉亞南, 詹姆斯·蒂里克森·芒福德三世, 阿德南·厄澤克辛 申請(qǐng)人:埃克森美孚研究工程公司