[发明专利]一种低温渗铝石油管线用钢表面原位陶瓷层的制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种金属表面的陶瓷层制备工艺，特别涉及一种低温渗铝石油管线用钢表面原位陶瓷层的制备工艺。 

背景技术

陶瓷材料高温稳定性好，并对酸、碱、盐都具有良好的耐腐蚀性，有望为石油管用钢基体材料提供优异的防腐蚀、防氧化性能。然而，陶瓷材料与金属材料自身物理性能差异大，包括热膨胀系数、热导率等，直接采用包括热喷涂法、包埋法、沉积法等涂层制备方法在石油管用钢表面制备陶瓷涂层，容易造成应力集中，致使涂层与基体的结合强度低，尤其是高温条件下的涂层制备工艺会严重破坏石油管用钢原有的组织和力学性能。因此，强度高且可以在低温条件下实现的涂层制备工艺是将陶瓷材料用作石油管用钢腐蚀防护的关键。 

采用低温渗铝工艺可以在石油管用钢表面生成Al含量超过8 wt.%的铁铝Fe-Al金属间化合物，包括Fe₃Al、Fe₂Al、FeAl、Fe₂Al₅和FeAl₃。有资料表明，当钢铁材料表面的Al含量超过8 wt.%时，就可以自身生成一层Al₂O₃薄膜并起到一定的防腐作用。然而，依靠Fe-Al金属间化合物自身生成的Al₂O₃薄膜完整性、连续性差，更是无法胜任酸性环境、含Cl^-条件下的腐蚀防护。 

热氧化技术是一种将基体材料置于含氧气氛中，进行加热保温，使基体表面的成分与氧气发生反应的工艺工程，采用该技术可以直接在金属试样表面生成金属氧化物陶瓷，实现金属材料表面的原位陶瓷化。根据合金选择性氧化的原理，渗铝后的钢铁样品在温度高于400℃的含氧气氛中，保温一定时间就可以原位转变生成晶态结构的γ-Al₂O₃和α-Al₂O₃陶瓷层。因此，对低温渗铝石油管线用钢进行热氧化处理可以使渗铝层Fe-Al金属间化合物组成原位转变为Al₂O₃陶瓷，同时通过兼具金属性和陶瓷性的Fe-Al金属间化合物实现钢铁材料基体与陶瓷层之间的理想过渡，保证陶瓷涂层与钢铁金属基体的结合强度。另一方面，还可以通过热氧化工艺参数调整获得腐蚀性能优异的Al₂O₃陶瓷组成、形貌和厚度，从而避免陶瓷膜在生长过程中遭到腐蚀破坏导致的防腐性能降低等问题。 

专利号CN1621563公开的“一种金属表面陶瓷化处理方法”，先采用热浸镀法或真空蒸镀法制备了一层具有适当厚度的铝层，再采用微弧氧化技术对基体表面所镀的铝层进行陶瓷化处理，获得陶瓷层，但该专利中涉及的预处理热浸镀温度为700-720℃、真空蒸镀温度为1400~1500℃，都远远超过了石油管用钢的最终热处理温度560-600℃，会损害石油管线钢材料原有的力学性能，且微弧氧化处理所制得的陶瓷层结构和性能受电解液组成、微弧氧化电能量、微弧氧化时间等多个参数的影响，工艺可重复性较差。专利号CN101618471公开的“一种金属表面陶瓷化方法”首先通过熔钎焊的方法堆焊一层铝基堆焊层，再采用微弧氧化处理获得陶瓷层，但铝基体堆焊层的厚度、均匀性难以控制，纯铝层原位生成的陶瓷层与之间没有明显的梯度过渡成分，容易产生孔洞、裂纹等缺陷；专利号CN102051608A涉及“一种金属表面陶瓷化处理方法”是将油基纳米陶瓷介质在陶瓷处理器中对金属表面进行陶瓷化处理，但该方法所得陶瓷膜与金属基体之间的结合力差，并且膜的厚度较小，难以保证受载荷条件下陶瓷膜的完整性。此外，上述专利文献并未公开所得陶瓷层组成、结构和性能的表征。有关采用热氧化处理在金属表面获得陶瓷层还未见相关报道。 

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种低温渗铝石油管线用钢表面原位陶瓷层的制备工艺，针对其它涂层法无法在低温条件下在石油管用钢表面制备出结合强度高的防腐蚀陶瓷层问题，具有操作简单，结构致密，结构厚度均匀连续，提高了腐蚀防护效果的特点。 

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种低温渗铝石油管线用钢表面原位陶瓷层的制备工艺，包括有以下步骤： 

(一)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，包埋渗铝温度为470～530℃，包埋处理1～3小时；

(二)热氧化处理