[發明專利]石油管線鋼表面陶瓷層的制備方法

無效

• 申請號: 201110427712.8
• 申請日: 2011-12-16
• 公開（公告）號: CN102517593A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 黃敏;王宇
• 申請（專利權）人: 西安石油大學
• 主分類號: C23F17/00
• 分類號: C23F17/00;C23C10/50;C25D11/04;C25D11/06
• 代理公司: 西安永生專利代理有限責任公司 61201
• 代理人: 申忠才

技術領域

本發明涉及一種金屬表面的陶瓷層制備方法，具體涉及一種石油管線鋼表面陶瓷層的制備方法，用以提高石油管材鋼的抗腐蝕性能。

背景技術

腐蝕問題一直是引發石油管失效的主要因素之一，隨著我國西部油田和海上油田、深井、超深井的開采，石油管所面臨的超高溫、超高壓、CO₂、H₂S、CO₂/H₂S等腐蝕問題將會愈加嚴重，要想在如此苛刻環境下正常使用，必須提高以石油管線鋼材料為主的石油管的耐油田環境腐蝕性能。

微弧氧化法(Microarc?Oxidation，MAO)，是一種通過脈沖電參數和電解液的匹配調整，在金屬材料表面產生微區等離子體放電作用，同時進行電化學、等離子化學和熱化學過程原位生長氧化物陶瓷膜層的新技術，已廣泛用于Al、Mg、Ti等金屬及其合金的表面處理上。然而，鋼鐵表面氧化生成的Fe₃O₄薄膜阻抗較小，因而無法采用MAO法直接實現鋼基表面的原位陶瓷化。另一方面，由于鋼鐵材料與陶瓷材料的熱物理性能(包括熱膨脹系數、熱導率等)差別很大，直接在鋼鐵材料表面制備陶瓷層，容易造成熱應力集中，致使涂層與基體的結合強度低、甚至脫落。

Fe-Al金屬間化合物(包括Fe₃Al、Fe₂Al、FeAl、Fe₂Al₅和FeAl₃)的Al含量超過8wt.％時，該化合物會在腐蝕環境中生成一層Al₂O₃薄膜，從而可提高鋼鐵表面氧化膜的阻抗，在金屬材料表面產生微區等離子體放電作用，利用微弧氧化的原理在鋼鐵表面原位生成陶瓷層。另一方面，Fe-Al金屬間化合物兼具金屬性和陶瓷性，Fe-Al/陶瓷復合材料界面不產生化學反應，沒有界面相生成，具有較好的界面結合力和一定的潤濕性能，是鋼鐵材料與陶瓷層之間理想的過渡層材料。

專利號為CN1721578的中國發明專利公開的“一種鋼鐵表面微弧氧化處理方法”通過對鋼鐵工件進行預處理，然后將鋼鐵工件放入裝有堿性工作溶液的微弧氧化工作槽中，采用微弧氧化處理方法對鋼鐵工件處理1～120分鐘，在金屬表面產生微弧氧化反應并在原位生成防腐膜層或硬質膜層。但該專利中并未公開預處理的方法、步驟和效果，只是通過電解液參數的調整獲得了厚度不超過60μm的陶瓷膜，且電解液成分復雜，每種電解液對膜層結構的貢獻難以分析。也有人采用通過熱浸鍍鋁的方法，預先在鋼鐵表面制備出純鋁層，利用在鋁表面進行微弧氧化的原理獲得陶瓷層，但熱浸鋁的溫度高，會損害石油管線鋼材料原有的力學性能，并且純鋁層原位生成的陶瓷層與石油管線鋼材料基體之間的成分沒有梯度過渡，容易產生孔洞、裂紋等缺陷。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于克服上述微弧氧化方法不能直接用于鋼鐵表面處理的缺點，提供一種操作簡單、石油管線鋼表面陶瓷層的制備方法。

解決上述技術問題所采用的技術方案是由下述步驟組成：

1、低溫滲鋁

將表面機械研磨處理后的石油管線鋼包埋在包埋滲劑中，470～530℃包埋處理2小時，所述的包埋滲劑由下述質量配比的原料制成：

鋁粉????????????????????????60％～80％

鋅粉????????????????????????18.5％～38.5％

氯化銨粉????????????????????1.5％。

2、微弧氧化處理

將步驟1低溫滲鋁后的石油管線鋼放入裝有微弧氧化電解液的微弧氧化工作槽內，微弧氧化電解液由1L蒸餾水中加入鋁酸鈉10g、磷酸二氫鈉1.5g、鎢酸鈉1.5g配制成，采用微弧氧化處理方法對石油管線鋼進行處理，電流密度為0.5～4.6A/cm²、電壓為500～600V、電源頻率為1000Hz、處理時間為5～30分鐘，在鋼基表面產生微弧氧化反應并在原位生成陶瓷層。

本發明的低溫滲鋁步驟1中，所述的包埋滲劑的質量配比為鋁粉60％～65％、鋅粉33.5％～38.5％、氯化銨粉1.5％，包埋滲鋁溫度為470℃；微弧氧化處理步驟2中，所述的微弧氧化處理的電流密度為1.2A/cm²、電壓為500V、電源頻率為1000Hz、處理時間為5分鐘，在鋼基表面原位生成的陶瓷層由鐵鋁尖晶石和氧化鐵組成，陶瓷層的厚度為20～30μm。