短時間熱處理后鎳磷合金鍍層的性能

　　由于優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性和其它性能以及電鍍法無可比擬的均鍍能力等方面的特點(diǎn)，化學(xué)鍍鎳磷非晶態(tài)合金在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。但是，由于化學(xué)鍍鎳磷合金特殊的加工工藝過程和鍍層性能，迄今為止，人們不僅對鎳磷合金鍍層的反應(yīng)沉積過程了解不甚清楚，同時對影響鎳磷合金鍍層性能的諸多因素也考察不夠。

　　目前石油工業(yè)對鎳磷合金鍍層的應(yīng)用抱有濃厚的興趣，尤其希望將其應(yīng)用到油田集輸管道，以解決近年來高礦化度、H2S、CO2和細(xì)粉砂對集輸管道造成的強(qiáng)烈的腐蝕、沖刷腐蝕損壞。而集輸管道應(yīng)用化學(xué)鍍鎳磷合金技術(shù)的難點(diǎn)，除了施鍍工藝技術(shù)外，還在于鍍覆后管道的焊接問題。焊接過程對鎳磷合金鍍層的耐腐蝕性能有何種影響？焊口處會不會形成陽極區(qū)或電偶對而加速腐蝕？焊縫區(qū)的溫度分布及其對鎳磷合金鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響是極為復(fù)雜的［1］。因此，深入了解焊接過程中的溫度和時間組合條件對鎳磷合金鍍層性能的影響很有必要。本文通過短時間熱處理的方式模擬焊接熱影響區(qū)中各點(diǎn)的情況，研究鎳磷合金鍍層性能的變化規(guī)律。

　　2試驗(yàn)內(nèi)容

　　試驗(yàn)樣品為60mm×50mm×3mm的Q235(A3)鋼，采用AEN540高耐蝕耐磨化學(xué)鍍鎳磷合金技術(shù)［2］對樣品實(shí)施化學(xué)鍍，以獲得鎳磷合金鍍層，鍍層厚度為25μm。然后，在馬弗爐中進(jìn)行不同溫度、不同時間的熱處理。為了考察短時間熱處理條件對鎳磷合金鍍層性能的影響，采用表1的熱處理?xiàng)l件。

表1　熱處理?xiàng)l件

　　X射線衍射試驗(yàn)采用D／max-TA型衍射儀進(jìn)行測量。試驗(yàn)條件為：鈷靶輻射，石墨單色器濾波，管壓40kV，管流100mA，狹縫寬度DS／SS均為1°，RS為0.15mm，采用閃爍計數(shù)管計數(shù)。

　　鍍層硬度采用HX-1顯微硬度計測試，測試條件為：100g，15s。每個樣品至少測試3個點(diǎn)，然后取平均值。

　　電化學(xué)測試采用美國EG＆G PAR M352腐蝕電化學(xué)測試系統(tǒng)和M388電化學(xué)阻抗譜測試系統(tǒng)進(jìn)行測量。參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。采用如圖1所示的有機(jī)玻璃制作的電解池，以利于大尺寸試驗(yàn)樣品進(jìn)行多點(diǎn)測試，免去機(jī)加工過程對鎳磷合金鍍層表面的影響。實(shí)驗(yàn)溶液為3.5%NaCl，常溫常壓。

　　3試驗(yàn)結(jié)果及討論

　　對各種條件熱處理后的樣品進(jìn)行X射線衍射分析后發(fā)現(xiàn)：在1000℃、60s條件下熱處理后的鎳磷合金鍍層表現(xiàn)出明顯的尖銳峰，表明鍍層已發(fā)生晶化，并有Ni3P等金屬間化合物相析出。除了1000℃、60s條件外，在所有試驗(yàn)溫度和時間條件下進(jìn)行熱處理后的鎳磷合金鍍層均基本保持了與鍍態(tài)鍍層相同的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征，均在2θ＝52°時呈現(xiàn)漫散峰。但是，在這些漫散峰上，均不同程度地疊加有小的尖峰，如圖2所示。這說明這些鍍層均發(fā)生了不同程度的晶化。圖3是不同溫度、時間為30s熱處理后的鎳磷合金鍍層的硬度與熱處理溫度的相互關(guān)系。由圖3可見，在短時間熱處理?xiàng)l件下，隨著熱處理溫度的升高，鎳磷合金鍍層的硬度是隨之增加的，在700℃時，硬度達(dá)到最大值；溫度進(jìn)一步升高，硬度反而下降。這一結(jié)果與常規(guī)熱處理(1h)在400℃呈現(xiàn)硬度最大值結(jié)果有很大的不同。鎳磷合金鍍層硬度的提高來自于鍍層中Ni3P硬質(zhì)相的析出，而Ni3P硬質(zhì)相析出量的多少取決于鍍層晶化程度，或原子擴(kuò)散重排的程度以及Ni3P析出相的顆粒大小和分散程度。鍍層在一定溫度下保溫一定時間就為原子擴(kuò)散重排提供了一定的能量，從而使鍍層發(fā)生了非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。從圖2的X射線衍射譜圖上所顯示的尖峰可以證明，鍍層確實(shí)發(fā)生了原子擴(kuò)散重排，Ni3P相析出并彌散在鍍層中，使鍍層發(fā)生了不同程度的晶化。顯然，在高溫下，原子擴(kuò)散速度較快，能在較短的時間內(nèi)發(fā)生一定量的原子擴(kuò)散重排，使得在700℃、30s熱處理后，鍍層硬度得到了很大的提高。進(jìn)一步升高溫度，晶化熱驅(qū)動能量增大，使得析出的Ni3P相顆粒更容易長大，分散度下降，鍍層硬度反而下降。

　　對不同條件下熱處理后的鎳磷合金鍍層進(jìn)行了動電位極化曲線的測量。圖4分別是3個典型溫度和不同時間熱處理?xiàng)l件下的極化曲線。表2是根據(jù)動電位極化曲線，由PAR公司M352腐蝕電化學(xué)分析軟件計算得到的相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)。由圖4可見，短時間熱處理后，鎳磷合金鍍層沒有表現(xiàn)出明顯的鈍化趨勢。與鍍態(tài)相比，隨著電位的升高，熱處理后鍍層的陽極溶解電流表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化關(guān)系。圖5表示了短時間熱處理后，鎳磷合金鍍層的腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流(Icorr)隨溫度的變化關(guān)系。從這些試驗(yàn)結(jié)果可以看到，經(jīng)400℃熱處理，鍍層的腐蝕電位隨保溫時間的延長而降低，但腐蝕電流、陽極溶解電流均小于鍍態(tài)鍍層的腐蝕電流和陽極溶解電流。溫度達(dá)到700℃，腐蝕電位進(jìn)一步降低，而腐蝕電流則反而減少；10s、30s熱處理后的陽極溶解電流高于鍍態(tài)鍍層，熱處理時間延長(60s)后才使得陽極溶解電流降低。在1000℃，腐蝕電位出現(xiàn)正移趨勢，腐蝕電流則達(dá)到最??；而陽極溶解電流只有在延長熱處理時間(60s)才能小于鍍態(tài)鍍層的陽極溶解電流。腐蝕電位隨熱處理溫度的升高和時間延長而負(fù)移的原因在于：由于鍍層表面發(fā)生了氧化，并且發(fā)生部分晶化，原有非晶態(tài)所具有的化學(xué)成分的均勻性和電化學(xué)均勻性受到了破壞，出現(xiàn)了晶粒、晶界，而Ni3P相是更具陽極性、電位更負(fù)的成分，因此其腐蝕電位負(fù)移。