化学镀Ni-Cu-P在露点腐蚀防护中的应用

摘要

工业窑炉的省煤器在工业生产中经常会遇到露点腐蚀问题。由于工业燃料中含有S、C、N等元素，烟气中通常含有相应的氧化物，这些氧化物会与烟气中的水蒸气反应生成酸性蒸汽。当酸性蒸汽遇到低于露点温度的省煤器外壁时，就会凝结成酸性液滴，使省煤器外壁产生剧烈腐蚀，导致使用寿命缩短。所以防止露点腐蚀是提高省煤器使用寿命的关键。工业上常用碳钢作为省煤器材料，所以本文以Q235碳钢作为基材，在其表面通过化学镀技术镀覆一层Ni-Cu-P镀层，提高其耐蚀性。利用两步法制备性能更好的镀层，提高镀层对基体起保护作用的时间，并对镀层的腐蚀机理进行研究。
　　本文通过正交试验确定较佳的化学镀配方和工艺条件，通过SEM对镀层表面形貌进行观察，通过EDS镀层表面元素含量进行分析，采用XRD和XPS分析了镀层的结构和表面元素。通过孔隙率测试、硬度测试、接触角测试等测试方法研究了施镀时间对镀层各种性能的影响。利用腐蚀浸泡实验和动电位极化曲线对镀层在80℃的模拟烟气冷凝液、5％H2SO4、10％H2SO4和20％H2SO4溶液中的腐蚀行为进行了研究。主要研究结果如下:
　　本实验所用的化学镀配方及工艺条件为:NiSO425g/L、CuSO40.9g/L、NaH2PO235g/L、Na3C6H5O745g/L、NaCH3COO15g/L和硫脲1mg/L，温度为84℃，镀液pH值为6，施镀时间1.5h。所得镀层中，Ni、Cu和P元素含量分别78.72％、7.56％和13.72％，Cu和P与Ni形成固溶体，使得镀层为非晶体结构，其中P和部分Ni之间交换电子形成共价键，而Cu是以单质形式存在。
　　在Q235碳钢表面化学镀Ni-Cu-P(Ni-Cu-P/Q235)能显著提高Q235碳钢在80℃的模拟烟气冷凝液、5％H2SO4、10％H2SO4和20％H2SO4溶液中的耐蚀性，在上述四种介质中，Ni-Cu-P/Q235的腐蚀速率是分别是Q235碳钢的1/9、1/166、1/165和1/466;耐蚀性也优于ND钢，腐蚀速率分别是为ND钢的1/6、1/136、1/139和1/351;在80℃三种浓度的H2SO4溶液中（5％、10％和20％），腐蚀速率分别是316L不锈钢的1/8、1/10和1/121，耐蚀性也优于316L不锈钢。
　　利用两步法制备四种镀层，其中一级施镀时间为1.5h不变，二级施镀时间分别为0.25h、0.5h、1h和1.5h，镀液成分和条件同前。两步法能有效延长镀层对基体的保护时间。当二级镀层施镀1.5h时镀层的性能最好，厚度为43.8μm，孔隙率接近0，镀层硬度最小(656.1Hv)，在80℃的5％H2SO4溶液中的腐蚀速率最低，镀层发生鼓泡的时间(418h)是一步制备的镀层鼓泡时间(106h)的3.9倍。
　　当二级施镀时间为1.5h时，镀层在80℃的5％H2SO4溶液中浸泡过程中，镀层先后经历一个由米黄色变为黑色、然后红色、最后为黑色的过程。米黄色为镀层的初始颜色。变为黑色是因为在浸泡过程中，镀层表面Ni选择性溶解所致;当镀层表面Ni继续溶解导致Cu富集后镀层变红色;当二级镀层完全腐蚀掉，一级镀层的Ni开始溶解时镀层又变成黑色。在一级镀层腐蚀掉之前，镀层的腐蚀速率变化平缓，镀层对基体仍起到保护作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 露点腐蚀概述

1．1．1 露点腐蚀及其过程

1．1．2 酸性蒸汽露点温度计算

1．2 露点腐蚀的防护

1．2．1 提高烟气的温度

1．2．2 减少SO3的生成量

1．2．3 采用耐露点腐蚀合金钢

1．2．4 采用耐蚀合金涂层

1．2．5 化学镀Ni-P系合金镀层

1．3 论文的研究目的和意义

1．4 论文的研究内容

第二章 实验材料、制备工艺及检测分析方法

2．1 实验所需材料、仪器和设备

2．1．1 实验材料

2．1．2 实验仪器和设备

2．2 实验工艺流程及实验装置

2．3 镀层性能的检测分析方法

2．3．1 镀速测定

2．3．2 镀层孔隙率测定

2．3．3 镀层结合强度测试

2．3．4 接触角测试

2．3．5 显微硬度测试

2．3．6 镀层表面形貌观察、成分分析及结构分析

2．3．7 镀层耐蚀性测试

第三章 化学镀Ni-Cu-P镀层的制备及性能检测

3．1．1 正交试验表设计

3．1．2 极差分析

3．2 Ni-Cu-P化学镀层表面和截面SEM形貌观察及能谱分析

3．2．1 镀层表面SEM形貌观察及能谱分析

3．2．2 镀层截面SEM形貌观察及能谱分析

3．5 化学镀Ni-Cu-P镀层结合力测试

3．6 本章小结

第四章 化学镀Ni-Cu-P的耐蚀性能研究

4．1．1 腐蚀浸泡实验

4．1．2 漫泡后SEM表面形貌观察及能潜分析

4．1．3 动电位极化曲线测试

4．1．4模拟烟气冷凝液中的成分对镀层耐蚀性的影响

4．2 Ni-Cu-P／Q235在80℃的5％H2SO4中的腐蚀行为

4．2．1 腐蚀浸泡实验

4．2．2 浸泡后SEM表面形貌观察及能谱分析

4．2．3 浸泡前和浸泡后镀层结构比较

4．3 Ni-Cu-P／Q235在80℃的10％H2SO4中的腐蚀行为

4．4 Ni-Cu-P／Q235在80℃的20％H2SO4中的腐蚀行为研究

4．5 Ni-Cu-P／Q235与Q235、316L、ND钢在几种介质中的耐蚀性比较

4．5．1 80℃的模拟烟气冷凝液中耐蚀性比较

4．5．2 在80℃的5％H2SO4中的耐蚀性能比较

4．5．3 在80℃的10％H2SO4中的耐蚀性比较

4．5．4 在80℃的20％H2SO4中的耐蚀性比较

4．6 本章结论

第五章 两步法制备化学镀Ni-Cu-P镀层及其性能研究

5．1 两步法制备化学镀Ni-Cu-P镀层

5．2 两步法制备的Ni-Cu-P镀层表面SEM形貌观察和能谱分析

5．3 两步法制备的Ni-Cu-P镀层的结构分析

5．4 两步法制备的Ni-Cu-P镀层表面元素化合态分析

5．5 不同Ni-Cu-P镀层的孔隙率

5．6 不同Ni-Cu-P镀层的接触角

5．7 不同Ni-Cu-P镀层的硬度

5．8 两步法制备的Ni-Cu-P镀层在80℃的5％H2SO4中的耐蚀性

5．8．1 化学镀层N-1．5h／0．25h的腐蚀行为

5．8．2 化学镀层N-1．5h／0．5h的腐蚀行为

5．8．3 化学镀层N-1．5h／1h的腐蚀行为

5．8．4 化学镀层Ni-1．5h／1．5h的腐蚀行为

5．8．5 两步法制备的镀层和一步法制备的镀层耐蚀性比较

5．9 本章总结

第六章 总结论

参考文献

致谢

研究成果及发表论文

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