[发明专利]一种抗地热水腐蚀的纳米化学复合镀层制备方法

说明书

本发明公开了一种抗地热水腐蚀的纳米化学复合镀层制备方法，包括涂层制备的不锈钢基底预处理工艺；基础镀液的配制；添加纳米ZrO₂颗粒；施镀工艺；烧结工艺，把所制作好涂层的样片自然通风下晾干，放置于在马沸炉内，烧结，最后在马弗炉中自然降温为室温取出，即可得到Ni‑P‑ZrO₂纳米复合涂层。本发明的涂层金属在地热水介质中具有良好的防腐效果，且该金属的涂层平整度更好、均匀致密，与基底金属结合紧密，进而本发明防腐蚀金属可以用作防腐地热水管道，可望有效解决我国地热能源系统中换热设备和管道的腐蚀问题，具有显著的进步性。

技术领域

本发明属于地热水防腐技术领域，尤其涉及一种抗地热水腐蚀的纳米化学复合镀层制备方法。

背景技术

地热资源是一种分布广泛的绿色能源，具有成本低和可直接利用的优点。但由于地热水温度较高，且长期在地壳内部运动，对岩石的溶解作用、离子交换作用和解析作用较强，因而具有复杂的化学成分。其中结垢性成分主要有Ca²⁺、Mg²⁺、HCO^3-、SO₄^2-及SiO₂。腐蚀性组分主要包括溶解O₂、SO₄^2-、Cl^-、H⁺、硫化物等，其侵蚀作用使系统中金属管道及换热表面发生严重腐蚀及破坏，导致设备维修成本增加，经济效益下降，构成地热资源开发利用的严重障碍。普通地热水的输送中大量使用普通碳钢管，是因其具有加工性能好、价格低廉等优点；但当含盐地热水中溶入微量的氧气后，碳钢腐蚀严重，可产生孔蚀和缝隙腐蚀。而地热水如使用非金属管输送，如塑料等，会出现塑料耐温性能较差，且强度低、易于老化等不利后果。因此，工业上一般使用钛合金作为换热设备和管道的材料以防止腐蚀及结垢，但钛金属价格昂贵，急需选用价格较便宜的材料来代替。一般不锈钢或碳钢价格较为便宜，但在地热水中均不耐腐蚀。研究表明，在不锈钢等表面涂覆耐腐蚀涂层以隔离不锈钢与周围腐蚀环境的接触可显著提高不锈钢的耐腐蚀性能，进而可防止地热水的腐蚀结垢。化学镀Ni-P具有硬度高，表面光洁、耐磨性好、可镀形状复杂机件、被镀材料广泛、耐腐蚀性强，其耐腐蚀性能大大优于不锈钢。化学镀Ni-P复合镀基础液配方相关的专利有：CN1958845、CN101429654、CN103469181A、CN103834936A、CN104630849A、CN105112960A、CN101709460A、CN104611740A。但现有Ni-P合金镀层普遍存在硬度较小、耐磨损性较低等缺点。因此研究者提出了在化学镀液中添加具有特殊性能的惰性固相颗粒等方法进行改善，从而形成在金属镀层中均匀夹杂固相颗粒的一种特殊镀层制备方法，即化学复合镀。由于纳米粒子具有表面效应、小尺寸效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特点，在Ni-P镀层的生长过程中，嵌入纳米颗粒能够阻碍晶粒的长大，用于金属表面处理可增加材料的硬度、耐磨性和抗腐蚀性能。因此对现有化学镀Ni-P涂层进行添加纳米颗粒如TiO₂(CN 102453429A、CN101748394A)、Al₂O₃(CN 101956186A)、PTFE(CN 102002692A)、SiC(CN 101302614A)和ZrO₂(CN101654776A、CN104630848A)等进行改进的技术方案不断涌现。通过对无机氧化物的物性分析，发现ZrO₂与绝大多数的金属基底的热胀系数非常接近，且具有较高的化学稳定性和较大的机械强度，以及非常优异的防腐蚀性能。化学镀Ni-P-ZrO₂涂层相关专利及文献有：中国发明专利CN101654776，公开了化学镀Ni-P-ZrO₂基础液配方：硫酸镍25-30g/L、次亚磷酸钠25-35g/L、乙酸钠12-18g/L、硫脲0.5-1.3mg/L、冰乙酸15-25ml/L、有机酸5-10g/L，粒径为80nm的ZrO2颗粒用量为20-40mg/L，施镀温度为70-75℃，pH值为4.5-5.2。其特征是应用于航空航天、机械电子、计算机、汽车和医疗器械领域，由此镀液制备的镀层的耐腐蚀性仅高于3分钟。中国发明专利CN 104630848A公开了一种纳米ZrO₂复合镀Ni-P合金的电镀液及电镀方法。其特征是使用单脉冲方波电流通入电镀液中进行电镀制备涂层。通过对复合镀层在20wt％NaOH和3.5wt％NaCl溶液腐蚀后的失重测试实验和摩擦磨损实验表明，纳米ZrO₂显著增强了镀层的耐腐蚀性和耐磨损性。但此方法工艺较复杂、需外加电源、成本较高，不利于应用和推广。文献(王琦，Ni-P-纳米ZrO₂化学复合镀制备及其性能研究，南昌航空航天大学硕士学位论文，2012；常京龙，吴庆利，电镀与精饰，2011，(10)：13-16)研究在镀液中加入ZrO₂纳米颗粒所得到的复合镀层的耐磨性和硬度比Ni-P镀层高很多。另外，由于开发研究目的等方面的不同，上述工作均没有考虑地热水复杂体系。国内外尚未见到考虑地热水的腐蚀环境下的化学镀Ni-P-ZrO₂复合涂层的制备工艺。