碳钢表面高效能抗垢防腐蚀复合镀层的制备方法

摘要

一种碳钢表面高效能抗垢防腐蚀复合镀层的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：A、基体材料预处理；B、纳米Sn预处理；C、Ni‑P/纳米Sn复合镀液配置和D、镀层制备；镀层制备时1）将步骤C制得的复合镀液放入恒温水浴箱中进行加温，温度控制在83℃‑87℃之间；2）将步骤A中的基体材料放入经过上步加温的复合镀液中，机械搅拌施镀3‑5h；3）取出镀件，用蒸馏水冲洗表面的夹杂物，吹干即得表面具有高效能抗垢防腐蚀Ni‑P/纳米Sn化学复合镀层的碳钢件。通过本发明所制备的镀层可应用在管道、热交换器等传热设备上，能显著提高设备内表面的抗腐蚀和抗生垢性能，工艺简单实用。

说明书

技术领域

本发明是属于纳米复合镀层表面改性技术，尤其是一种通过在Ni-P非晶合金涂层中引入非固溶并且电子释放能力高的颗粒物质，提高涂层的电子释放能力，进而提高涂层的防结垢和防腐蚀性能的技术，具体地说是一种碳钢表面高效能抗垢防腐蚀Ni-P/纳米Sn化学复合镀层的制备方法。

背景技术

锅炉、换热器、管道等作为传热传质的重要设备，广泛应用于工业生产的许多领域。在工程应用中，常有大量物质粘附在设备表面，形成污垢，增加了热阻和流动阻力，严重降低设备的传热传质性能，致使设备运行效率下降50%左右（严重时下降80%），并引起设备腐蚀，是传热传质设备失效的主要原因。在发达国家结垢造成的经济损失占国民生产总值的0.25%，而我国作为发展中国家设备运行结垢造成的经济损失在此之上。世界各主要国家都把防结垢问题作为亟待解决的重要课题，开展广泛研究。

材料表面改性技术的发展为防垢问题开辟了新的道路。表面改性层的表面能对防结垢性能具有重要影响，一般地，表面能小则其防结垢性能好。Ni-P非晶合金涂层具有低的表面能，优良的抗腐蚀性、防结垢性能和强制传热能力，在工业上已经得到广泛应用。

化学镀对换热面进行表面改性，获得了表面自由能不同的镀层，形成非晶，由于非晶镀层具有较低的表面能，改善抗垢性与增强耐蚀性，改善抗垢性与增强耐蚀性，但并非最小的表面能有最好的防结垢，国内已有文献报道

但是，基于低表面能和高电子释放能力协同的防结垢表面改性技术研究。Ni-P非晶合金涂层中引入非固溶的电子释放能力高的颗粒物质，如添加纳米Sn颗粒，提高涂层的电子释放能力，进而提高涂层的防结垢性能，在国内公开发表的中文文献中未见报道。

发明内容

本发明的目的是针对低表面能与防结垢之间无法兼具进而影响防垢与防腐蚀性能的问题，发明一种向Ni-P非晶合金涂层中引入非固溶并且电子释放能力高的纳米Sn颗粒，提高涂层的电子释放能力，进而提高涂层的防结垢和防腐蚀性能的碳钢表面高效能抗垢防腐蚀Ni-P/纳米Sn化学复合镀层的制备工艺。

本发明所采取的技术方案：

一种碳钢表面高效能抗垢防腐蚀Ni-P/纳米Sn化学复合镀层的制备方法，其特征在于它包括以下步骤：

A、基体材料预处理；

通过除油清洗、金相砂纸打磨抛光、盐酸表面活化；肥皂水中和，蒸馏水吹干，得到表面光洁、活性化程度高的基体材料备用；

B、纳米Sn预处理；

将纳米Sn加入离子水，添加表面活性剂，进行超声波分散，防止其在施镀过程中粒子团聚，得到纳米Sn水溶液；

C、Ni-P/纳米Sn复合镀液配置；

按比例称取：NiSO₄·6H₂O、C₆H₈O₇·H₂O、乳酸和乙酸钠试剂依次加入蒸馏水中，每次加入另一个试剂前，要确保前一个试剂已完全溶解，最后再加入一定量的NaH₂PO₂·H₂O，并用氨水调节PH值，静置4-5分钟，再按一定量的体积比加入经过预处理的纳米Sn水溶液，机械搅拌2-3h，得到镀液；

D、镀层制备；

1）将步骤C制得的复合镀液放入恒温水浴箱中进行加温，温度控制在83℃-87℃之间；

2）将步骤A中的基体材料放入经过上步加温的复合镀液中，机械搅拌施镀3-5h；

3）取出镀件，用蒸馏水冲洗表面的夹杂物，吹干即得表面具有高效能抗垢防腐蚀Ni-P/纳米Sn化学复合镀层的碳钢件。

所述的步骤A中的除油清洗是指先在丙酮中超声波清洗25-35分钟，接着在无水乙醇中超声波清洗15-20分钟。

所述的步骤A中的金相砂纸打磨抛光是指先后通过#180，#320，#600，#800，#1000砂纸打磨，再由金刚石抛光。

所述的步骤A中的盐酸表面活化是指将打磨后的基体材料在10-15%的盐酸中，浸泡60-90秒。

所述的步骤B中添加的表面活性剂为OP-10非离子型活性剂，添加量为90-100mg/L，纳米Sn的添加量为2~5g/L，超声波分散时间为2-2.5小时，超声分散的温度为30-35℃，分散时间为2-3小时。

所述的Ni-P/纳米Sn复合镀液中的Ni-P镀液的各组分的配比以每升蒸馏水计为：

NiSO₄·6H₂O25~30g/L

C₆H₈O₇·H₂O13~15g/L

乳酸1.5~3g/L

乙酸钠6~8g/L

NaH₂PO₂·H₂O>

Ni-P/Ni-P镀液与纳米Sn水溶液的体积比为：9-11：1。

所述的用氨水调节后的复合镀液的PH值为3-6。

所述的机械搅拌施镀时的搅拌速度为140-160转/分。

本发明的有益效果是：

通过本发明所制备的镀层可应用在管道、热交换器等传热设备上，能显著提高设备内表面的抗腐蚀和抗生垢性能，工艺简单实用。实验所获得的镀层界面结合良好，结合力高，镀层的厚度在5-30μm之间，通过腐蚀实验和抗垢实验，纳米Sn复合镀层的抗腐蚀和抗垢性能均优越于Ni-P镀层。

附图说明

图1是本发明的纳米复合镀层金相示意图。

图2是本发明的纳米复合镀层结合力测试结果示意图。

图3是本发明的EDS成分关系图。

图4是本发明实际应用表面形貌示意图。

图5是本发明的腐蚀失重对比关系示意图。

图6是本发明的极化曲线分析结果示意图。

图7是使用本发明镀层的设备污垢附着关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的说明。

实施例1。

1、将Q235试样放入丙酮中，超声波清洗30分钟，取出蒸馏水冲洗，再放入无水乙醇中，超声波清洗20min，取出，再用蒸馏水冲洗、吹干；然后分别用#180，#320，#600，#800，#1000砂纸打磨，再由金刚石抛光，蒸馏水冲洗、吹干，得到基体材料；

2、 将抛光好的试样放入15%的盐酸中，活化60s，取出放入肥皂水中中和1min中，取出用蒸馏水冲洗、吹干，放入试样袋中；

3、纳米Sn的分散：取粒径50nm的纳米Sn，取蒸馏水100mL，以纳米Sn在水溶液含量2g/L加入纳米Sn 0.2g，以OP-10在水溶液含量100mg/L，取OP-10 计10mg；超声波分散2.5h，控制温度为30℃，分散2小时；

4、配置Ni-P/纳米Sn复合镀液：取蒸馏水200mL，以NiSO₄·6H₂O：26g/L、C₆H₈O₇·H₂O15g/L、乳酸3g/L、乙酸钠>2PO₂·H₂O：24g/L计，分别称取NiSO₄·6H₂O：5.2g、C₆H₈O₇·H₂O>2PO₂·H₂O4.8g，每次加入另一个试剂前，要确保前一个试剂已完全溶解。静置5min中，用氨水调节PH值到5.4,按照体积比10：1，加入步骤3中的纳米Sn水溶液18mL（此处假定NiSO₄·6H₂O、C₆H₈O₇·H₂O、乳酸、乙酸钠和NaH₂PO₂·H₂O>

5、将步骤4中的复合渡液放入恒温水浴箱中，温度85℃，等待渡液温度达85℃；

6、将步骤2中的试样放入步骤5中的渡液中，以转速150r/min，机械搅拌施镀4h；

7、取出试样，用蒸馏水冲洗表面的夹杂物1min中左右，吹干。

实施例2。

1、 将Q235试样放入丙酮中，超声波清洗20分钟，取出蒸馏水冲洗，再放入无水乙醇中，超声波清洗15min，取出，再用蒸馏水冲洗、吹干；然后分别用#180，#320，#600，#800，#1000砂纸打磨，再由金刚石抛光，蒸馏水冲洗、吹干，得到基体材料；

2、将抛光好的试样放入10%的盐酸中，活化90s，取出放入肥皂水中中和1min中，取出用蒸馏水冲洗、吹干，放入试样袋中；

3、纳米Sn的分散：取粒径50nm的纳米Sn，取蒸馏水100mL，以纳米Sn在水溶液含量5g/L加入纳米Sn 0.5g，以OP-10在水溶液含量90mg/L，取OP-10 计9mg；超声波分散2h，控制温度为35℃，分散3小时；

4、配置Ni-P/纳米Sn复合镀液：取蒸馏水200mL，以NiSO₄·6H₂O>6H₈O₇·H₂O>2PO₂·H₂O>4·6H₂O>6H₈O₇·H₂O>2PO₂·H₂O>4·6H₂O、C₆H₈O₇·H₂O、乳酸、乙酸钠和NaH₂PO₂·H₂O>

5、将步骤4中的复合渡液放入恒温水浴箱中，温度83℃，等待渡液温度达83℃；

6、将步骤2中的试样放入步骤5中的渡液中，以转速140r/min，机械搅拌施镀3h；

7、 取出试样，用蒸馏水冲洗表面的夹杂物1min中左右，吹干。

实施例3。

1、将Q235试样放入丙酮中，超声波清洗25分钟，取出蒸馏水冲洗，再放入无水乙醇中，超声波清洗18min，取出，再用蒸馏水冲洗、吹干；然后分别用#180，#320，#600，#800，#1000砂纸打磨，再由金刚石抛光，蒸馏水冲洗、吹干，得到基体材料；

2、将抛光好的试样放入13%的盐酸中，活化80s，取出放入肥皂水中中和1min中，取出用蒸馏水冲洗、吹干，放入试样袋中；

3、纳米Sn的分散：取粒径50nm的纳米Sn，取蒸馏水100mL，以纳米Sn在水溶液含量3.5g/L加入纳米Sn 0.35g，以OP-10在水溶液含量110mg/L，取OP-10 计11mg；超声波分散2.5h，控制温度为35℃，分散2.5小时；

4、配置Ni-P/纳米Sn复合镀液：取蒸馏水200mL，以NiSO₄·6H₂O>6H₈O₇·H₂O>2PO₂·H₂O>4·6H₂O>6H₈O₇·H₂O>2PO₂·H₂O：5.6g，每次加入另一个试剂前，要确保前一个试剂已完全溶解。静置5min中，用氨水调节PH值到6,按照体积比11：1，加入步骤3中的纳米Sn水溶液21mL（此处假定NiSO₄·6H₂O、C₆H₈O₇·H₂O、乳酸、乙酸钠和NaH₂PO₂·H₂O>

5、将步骤4中的复合渡液放入恒温水浴箱中，温度87℃，等待渡液温度达87℃；

6、将步骤2中的试样放入步骤5中的渡液中，以转速160r/min，机械搅拌施镀5h；

7、取出试样，用蒸馏水冲洗表面的夹杂物1min中左右，吹干。

腐蚀和污垢附着实验结果

以实施例1的镀层为研究对象。其镀层的厚度18.6μm，Sn的复合含量达到9.88%，结合力达到30N，如图1-2，EDS成份如图3所示，表面形貌如图4所示，。

腐蚀结果分析如图5、6所示：分别在5%H₂SO₄和3.5%>

污垢附着结果分析如图7所示：通过模拟硬水（成份见表1），来观测试样表面水垢的情况和含量，结果表明Ni-P/纳米Sn抗垢性能比起Ni-P镀层提高了43.3%，比起Q235提高了53.6%；。

表1 硬水的成分。

无水CaCl₂0.56 gNaHCO₃0.42 g去离子水250 mL

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术来实现。