[发明专利]石油管线钢表面陶瓷层的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面的陶瓷层制备方法，具体涉及一种石油管线钢表面陶瓷层的制备方法，用以提高石油管材钢的抗腐蚀性能。

背景技术

腐蚀问题一直是引发石油管失效的主要因素之一，随着我国西部油田和海上油田、深井、超深井的开采，石油管所面临的超高温、超高压、CO₂、H₂S、CO₂/H₂S等腐蚀问题将会愈加严重，要想在如此苛刻环境下正常使用，必须提高以石油管线钢材料为主的石油管的耐油田环境腐蚀性能。

微弧氧化法(Microarc Oxidation，MAO)，是一种通过脉冲电参数和电解液的匹配调整，在金属材料表面产生微区等离子体放电作用，同时进行电化学、等离子化学和热化学过程原位生长氧化物陶瓷膜层的新技术，已广泛用于Al、Mg、Ti等金属及其合金的表面处理上。然而，钢铁表面氧化生成的Fe₃O₄薄膜阻抗较小，因而无法采用MAO法直接实现钢基表面的原位陶瓷化。另一方面，由于钢铁材料与陶瓷材料的热物理性能(包括热膨胀系数、热导率等)差别很大，直接在钢铁材料表面制备陶瓷层，容易造成热应力集中，致使涂层与基体的结合强度低、甚至脱落。

Fe-Al金属间化合物(包括Fe₃Al、Fe₂Al、FeAl、Fe₂Al₅和FeAl₃)的Al含量超过8wt.％时，该化合物会在腐蚀环境中生成一层Al₂O₃薄膜，从而可提高钢铁表面氧化膜的阻抗，在金属材料表面产生微区等离子体放电作用，利用微弧氧化的原理在钢铁表面原位生成陶瓷层。另一方面，Fe-Al金属间化合物兼具金属性和陶瓷性，Fe-Al/陶瓷复合材料界面不产生化学反应，没有界面相生成，具有较好的界面结合力和一定的润湿性能，是钢铁材料与陶瓷层之间理想的过渡层材料。

专利号为CN1721578的中国发明专利公开的“一种钢铁表面微弧氧化处理方法”通过对钢铁工件进行预处理，然后将钢铁工件放入装有碱性工作溶液的微弧氧化工作槽中，采用微弧氧化处理方法对钢铁工件处理1～120分钟，在金属表面产生微弧氧化反应并在原位生成防腐膜层或硬质膜层。但该专利中并未公开预处理的方法、步骤和效果，只是通过电解液参数的调整获得了厚度不超过60μm的陶瓷膜，且电解液成分复杂，每种电解液对膜层结构的贡献难以分析。也有人采用通过热浸镀铝的方法，预先在钢铁表面制备出纯铝层，利用在铝表面进行微弧氧化的原理获得陶瓷层，但热浸铝的温度高，会损害石油管线钢材料原有的力学性能，并且纯铝层原位生成的陶瓷层与石油管线钢材料基体之间的成分没有梯度过渡，容易产生孔洞、裂纹等缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述微弧氧化方法不能直接用于钢铁表面处理的缺点，提供一种操作简单、石油管线钢表面陶瓷层的制备方法。

解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：

1、低温渗铝

将表面机械研磨处理后的石油管线钢包埋在包埋渗剂中，470～530℃包埋处理2小时，所述的包埋渗剂由下述质量配比的原料制成：

铝粉                        60％～80％

锌粉                        18.5％～38.5％

氯化铵粉                    1.5％。

2、微弧氧化处理

将步骤1低温渗铝后的石油管线钢放入装有微弧氧化电解液的微弧氧化工作槽内，微弧氧化电解液由1L蒸馏水中加入铝酸钠10g、磷酸二氢钠1.5g、钨酸钠1.5g配制成，采用微弧氧化处理方法对石油管线钢进行处理，电流密度为0.5～4.6A/cm²、电压为500～600V、电源频率为1000Hz、处理时间为5～30分钟，在钢基表面产生微弧氧化反应并在原位生成陶瓷层。

本发明的低温渗铝步骤1中，所述的包埋渗剂的质量配比为铝粉60％～65％、锌粉33.5％～38.5％、氯化铵粉1.5％，包埋渗铝温度为470℃；微弧氧化处理步骤2中，所述的微弧氧化处理的电流密度为1.2A/cm²、电压为500V、电源频率为1000Hz、处理时间为5分钟，在钢基表面原位生成的陶瓷层由铁铝尖晶石和氧化铁组成，陶瓷层的厚度为20～30μm。