16MnR钢焊缝表面纳米复合电镀及抗湿H2S应力腐蚀试验研究

应力腐蚀相关文献

20 09年 6月

润滑与密封L UBRI CAT【 ON ENGI NEERI NG

J n 0 9 u e2 0Vo. 4 No 6 13 .

第3 4卷第 6期

D I 0 3 6/ .s . 2 4— 1 0 2 0 . 6 0 6 O:1 . 9 9 ji n 0 5 0 5 . 0 9 0 . 1 s

1 Mn 6 R钢焊缝表面纳米复合电镀及抗湿 H 力腐蚀试验研究 2 S应毕凤琴 韩永强孙丽丽赵正卫( .大庆石油学院 1黑龙江大庆 13 1;2 6 3 8 .大庆石油化工机械厂黑龙江大庆 13 1 ) 67 1摘要：采用 N. i纳米 TO i复合电镀对 1M R钢焊缝进行表面处理，运用均匀设计方法，研究了镀液温度、阴极电 6n

流密度、搅拌速度、纳米 TO i浓度等对复合电镀过程的影响，优选出 N一米 TO i纳 i复合电镀的最佳工艺配方。借助金相显微镜、扫描电镜 ( E S M)与能谱仪 ( D )对复合镀层的微观形貌、组织结构及成分组成进行测试分析。恒载荷拉 ES伸试验结果表明：普通电镀层的抗湿 H s应力腐蚀性能是无镀层的 19倍，而 N-: . i纳米 TO复合电镀层的抗湿 H s i 应力腐蚀性能是无镀层的 4 1;镀层中纳米材料的引入，使得金属表面局部晶粒纳米化，提高了 1Mn .倍 6 R焊缝抗湿 H s应：力腐蚀的能力。 关键词：1 M R钢焊缝；N一 6n i纳米 TO i复合电镀；表面纳米化；应力腐蚀中图分类号：T 7 .4文献标识码：A文章编号：0 5 0 5 (0 9 GI4 4 1 2 4— 10 2 0 )6— 5 3 0 9—

S f c n - o p st e to l tng o M nR e lW ed e ta ura e Na o c m o ie Elc r p a i f 1 6 Ste l m n nd

An iwe t. tH S S r s r o i n S u y te s Co r so t dBiF n qn e g i Ha n qa g n Yo g in Su i n L l Zh o Zh n wei i a e g( . a i e oem Istt, aigHeo g ag13 1, hn; 1D qn P t lu ntue D qn i n jn 6 3 8 C i g r i l i a2 D qn e o u h m cl cie atr, a ig i nj n 6 7,hn ) . aigP t l m C e i

hn r F c y D qn l g ag13 1 C ia re a Ma y o He o i 1Ab ta t1 n se lwed n u fc s te td wi — a o T O,c mp st lcr p aig Th mp c fb t sr c:6M R te l me ts r e wa r ae t Nin n . i a h o o i ee to ltn . e i a to ah e tmp rt r e e au e,c t o e c re td n i ah d u r n e st sirn p e n n - O2 c n e tain o lcrp ai g p o e s o h o o i y, tri g s e d, a oTi o c nr t n ee to ltn r c s ft e c mp st o ewa td e y o o o a x ei n a t o s, n h p i m o dto s o h — a o t rT O2c mp st ltn ssu id b ￣h g n e p rme tlmeh d a d te o t l mu c n i n ft e Nin n mee i o o i p aig i e

wa ee td. e mo p oo y, tu tr n o o i o fc mp st o t g wee a ay e y mealr ia c o c p ss lce Th r h lg sr cu e a d c mp st n o o o ie c ai r n lz d b t u g c lmirs o e, i n l

s nige c o i ocp ( E c n l t nm c soy S M)a dset m t E S . h sl f os n l dt seepr et so a a n er r n pc o e r( D ) T er ut o cnt to ni x e m ns hw t t r e e s a a e l i ht e a tc ro in p roma c fwe te s o e ea lcrp ai g i h . i so h to o pai g, a o tr h n ior so e r n e o tH2 sr s fg n r ee to ltn st e 1 9 t f S l me ft a fn lt n n n meec mp st lcrp ai gi h .1tme f h to op ai g Th nr d cin o a o mae i si h lt g ma e t o o i ee to ltn ste4 i so a fn ltn . ei

to u to fn n— tra n te pai k smea e t l n l

s r c a o rs lzt n w ihi rvstea t orso efr a c f e S s eso 6 R s e ed n. uf en n cyt l ai, hc mpo e h ni roinp r m n eo t a ai o c o w H2 t s f1 Mn t l lme t r e wKe wo d:6Mn se lwed n; - a o T O2c mp st lcr pa ig;u a e n n e y tl z to sr s o rso y rs1 R te l me t Nin n— i o o ie ee to l t n s r c a o rsal ain; te sc ro in f i

纳米复合电镀是利用电化学原理，将纳米颗粒与欲沉积的金属离子在阴极表面实现共沉积，并形成具有某些特殊功能的纳米复合电镀层的过程。在普通电镀过程中引入纳米颗粒，是纳米技术与传统技术的结合，可以使复合镀层具有更加优异的性能。 1 M R钢广泛用于制造液化石油气、天然气、 6 n 液氨、氧气、氮气等球形储罐。焊接是生产这些储罐的主要工艺，由于焊接技术本身所固有的快速加热和冷却以及添加焊接材料的工艺特点，决定了焊缝组织及性能的不均匀性、焊缝金属氢含量高，再加上残余

应力的存在，一旦遭遇湿 H s腐蚀介质，焊缝将成：为薄弱环节和腐蚀失效的主要原因，不可避免发生应力腐蚀开裂。 本文作者采用 N一 i纳米 TO i复合电镀对 1 M R 6 n钢焊缝进行表面处理，运用均匀设计方法，优选出纳米复合电镀的最佳工艺配方；通过恒载荷拉伸试验， 研究经表面纳米化后的试样抗湿 H s应力腐蚀性能， 并对表面纳米化抗湿 H s应力腐蚀机制进行探讨。 1镀层制备试验 1 1试验设备 .

基金项目：黑龙江省教育厅振兴东北老工业基地成果转化项目.

收稿日期：2 0 0— 9 0 9— 1 0

数控水浴加热槽、数控超声波清洗仪、高速机械搅拌器、金相试样预磨机、电子天平、Ht h扫描电 ic a子显微镜、O fr x d能谱仪、数显显微维氏硬度计 4 1 o 0/ 4 2 VAT 0 M M Z IS大型卧式金相显微镜等。 ES、

作者简介：毕凤琴 (9 7 ) 16一，女，博士，副教授，主要

从事金属腐蚀与防护研究 .—a:b 68 s aci Em i f 9@ i . o . l q n n

1 2试验材料 .

试验中，除了纳米 TO外，其他所用试剂均为 i

应力腐蚀相关文献

润滑与密封

第3 4卷

化学纯，纳米复合电镀液组成如表 1所示。 试验选用锐钛型纳米 TO i的主要技术性能指标为：纯度大于等于 9%;比表面积 1. 9 2 8~4 I g 51/; T 平均粒径 l 3 i;灼烧减量小于等于 2;物相 0~ 0Bl l%为锐钛型。由于 TO粒子本身尺寸小而且密度也小， i, 使它均匀分散在镀液中是非常困难的，所以 TO i粒子在加入镀液之前需要用 F C系列阳离子型表面活性剂进行分散。表 1 N一 i纳米 TO i:复合镀液组成T be 1 T ec mp so so— a oT O2 a l h o o in fNin n ic mp st l n ou i n o o i p yi g s l t e o g·’ L~

中的腐蚀速度、硬度和镀层厚度等为评价标准，考察电流密度、镀液温度、p H值、TO添加量、搅拌速 i度、活性剂 6因素对复合电镀过程的影响，每个因个 素考察 6个水平，采用均匀表 U (。安排试验。 6 ) 均匀表 U (。见表 2 6 ),试验因素和水平见表 3,均匀试验结果见表 4。表 2 U (。均匀试验用表 6)T be2 T eu i r d s nepf n￣ t l o 66 ) a l h nf m ei xe met a e fU ( o g i b水平1 2 34

5 531

6 654

硫酸镍 N S 6: iO· H O

1 0一3 o 5,o 3—4 0 0

氯化镍 NC 6: i1· H O硼酸 H B O十二烷基硫酸纳纳米 T0 i

6

3

4—4 0 5O O1 .

5 6

42

21

1 6 O .1~1 1 .

表 3均匀试验因素与水平T b e 3 T e fc o s a d l v l o n￣r d s n a l h a t r n e e s fu i m e i g

表面活性剂

1 3试验试样的前处理 .

试样材料为 1 M R钢焊缝，镀前需对试样进行 6 n如下处理：除油一8 0℃以上热水清洗一强浸蚀一5 6 冷 1 2 3 4 水清洗一有机溶剂除油

一弱浸蚀一清洗一快速人槽。1 4试验方案及结果 .2 4 6 1 3 5

采用均匀设计法，以镀层在 N C A E溶液 (:即 H s (和)+5 N C+ .% C 3 O H溶液，其 2饱% a1 05 H C O 3 6 2 5 l 4室温 p H值为 3 5 4 0 .~ .,试验温度为 ( 542 C) 2 - )q表 4均匀试验结果T b e 4 l h 5 e 2 e i n a e u t o n f r d s a l T e x rme tlr s l fu i m e i s o n g 4 p 6 3

由表 4可见，镀层在 N C A E溶液中的腐蚀速度， 以第 6组试验腐蚀速度最小，相对应的硬度和厚度值最大，即第 6组试验镀层性能较优。因此，获得 N一 i 纳米 TO复合电镀层的最佳工艺配方为第 6组试验， i 即：电流为 0 5 . 5A,温度为 5 5℃,p H值为 4 5 .,纳米 TO粒子质量浓度为 3 L i ,搅拌速度为 40rrn 5 a,/i表面活性剂质量浓度为 0 1/。 . L g15 N一 . i纳米 TO复合电镀层形貌及成分分析 i,图 1普通电镀层形貌Fg 1 Th EM u fc f i eS s ra eoe e t o l tn a e lcrpai gly r

一图 2 N一 i纳米 TO复 i2

利用扫描电镜对普通镀层和 N一 i纳米 TO i复合电镀层的表面形貌进行对比观察，结果如图 1 2所示。~

合电镀层形貌F g 2 Th EM u f c f i eS s ra e o Nil n— i o o -— a o T O2c mp s l

借助能谱仪对镀层成分进行了分析，图 3为 N一米 i纳 TO复合电镀层能谱图。 i:

i lerpaigly r t ee to lt a e e n

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20 0 9年第 6期

毕凤琴等：1Mn 6 R钢焊缝表面纳米复合电镀及抗湿 H s应力腐蚀试验研究：

6 1

图 3 N一米 TO复合电镀层及成分 E S析 i纳 i D分Fi Th EM ura eo —a o Ti o o ie ee to lt g ly ra d t eEDS a ay i g3 eS s fc fNin n— O2c mp st ler pai a e n h n n lss

通过图 1~ 2扫描电镜照片对比观察，可看出普通电镀镀层

表面晶粒较粗大、存在孔隙，而 M.纳米 TO电镀层的表面颗粒细小，镀层致密且孔隙较少。 i,

分析原因，笔者认为有如下几点： ( )由于镀层具有良好的耐均匀腐蚀及局部腐 1蚀能力，镀层组织致密，完整的镀层阻止了外界腐蚀

从图 3中可以看到 N、T、以及 O的元素峰。通 i i过元素定量分析，N元素约占整个镀层总量的 i 8 .9 4 8%多，是复合镀层的主要成分，T元素和 0元 i素分别占2 4%和 1. 6,证实了复合镀层中粒子 .5 26%是以纳米 TO的形式存在的。 i 2恒载荷拉伸应力腐蚀试验 2 1试验设备、溶液及试样 .本试验采用恒载荷拉伸应力腐蚀试验装置，根据金属抗硫化物应力腐蚀开裂恒载荷拉伸试验方法标准 ( B4 5 4,腐蚀溶液为 N C G 178 ) A E溶液，试样尺寸见图4,焊缝区位于标距中间。

14×。 5,

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25. 41 46

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介质与基体的接触，降低了应力腐蚀发生的可能性。 ( )1 Mn 2 6 R焊缝表面经表面纳米化，明显改善了镀层不致密和晶粒粗大、不均匀的缺陷，使镀层具有优异的防腐蚀、减摩阻等性能，很好地抵制了湿 H S蚀介质的作用。腐 ( )纳米材料还具有界面特性，纳米材料一旦 3引入镀层，其镀层界面为超双疏性二元协同界面 (既疏水又疏油 ),也提高其优异的抗 H s:腐蚀效果。 ( )1 M R焊缝表面纳米化后，在裂纹萌生阶 4 6n段，氢致裂纹驱动力可由更多细小的纳米晶粒所承受，以及晶内和晶界的应变度相差小，因而材料受力均匀，应力集中较小，裂纹不易萌生；在裂纹的扩展阶段，由于纳米晶结构的晶界体积分数高，而且相邻晶粒具有不同的取向，当微裂纹由一个晶粒穿越晶界进入另一个晶粒时，微裂纹将在晶界处受到阻碍。同时，一旦微裂纹穿过晶界后，扩展方向发生改变，必然消耗更多的能量，因而微裂纹不易扩展长大，因而更有效地抑制了裂纹的扩展，提高了抵抗湿 H s应：力腐蚀能力。3结论

×一1∞

I’

图 4

拉伸试样尺寸和形状Fg4 T e dme so n ha e o e sl pe i n i h i n in a d s p ftn ie s cme

试样共分 3组，普通电镀试样 (样 A) i试、N.

TO复合电镀试样 ( i试样 B)和无任何处理的原始试样 (试样 C。 )22恒载荷拉伸应力腐蚀试验结果与分析 .

从表 5试验结果可以得出，无镀层的 1 Mn 6 R焊缝试样，在 9 5h内便发生断裂，普通电镀层的持续

时间是无镀层的 19倍，而 N一 . i纳米 TO复合电镀层 i。的持续时间是无镀层的 4 1。 .倍表 5恒载荷拉伸应力腐蚀试验结果Ta l Th e u t fc n t n o d be5 e r s ls o o sa tl at n i te sc ro i n ts e sl sr s o r so e t e

( )采用 N-米 TO 1 i纳 i复合电镀对 1 M R钢焊 6n缝进行表面处理，运用均匀设计方法，通过试验优选 N- i纳米 TO复合电镀的最佳工艺配方：电流为 0 5 i .5 A,温度为 5 5℃,p H值为 4 5 .,纳米 TO粒子质量 i。浓度为 3g L/,搅拌速度为 4 0rm n 5 i,表面活性剂质/量浓度为 0 1g L ./。 ( )恒载荷拉伸应力腐蚀试验表明，普通电镀 2层的抗湿 H s应力腐蚀性能是无镀层的 19倍，而 . N- i纳米 TO复合电镀层的抗湿 H s应力腐蚀性能是 i: 无镀层的 4 1。可见，镀层中纳米材料的引入，使 .倍得金属表面局部晶粒纳米化，提高了 1 M R焊缝抗 6n湿 H s应力腐蚀的能力。:参考文献【】张文钺.金属冶金学[ .北京：机械工业出版社， 1 M]

17 9. 9

(下转第 6 5页)

应力腐蚀相关文献

20 0 9年第 6期

刘维超等：杂质颗粒对水润滑滑动轴承承载能力的影响

6 5

膜的压力场数值模拟计算，颗粒直径分别为 0 0, . 50O,0 0 5m . 1 . 0 m,均小于轴承的最小水膜厚度。图 4 为杂质颗粒直径对润滑膜压力场分布的影响，图 5为杂质颗粒直径对滑动轴承承载能力的影响。从图 4和图 5中可以看出，杂质颗粒直径的变化对于润滑膜的

多相流润滑理论，而要综合考虑颗粒和滑动轴承表面的弹性变形。杂质颗粒直径大于最小水膜厚

度时，会加大滑动轴承的磨损，这种情况也是要尽量避免的。鉴于以上的分析，可以设定润滑系统过滤网的最大过滤直径不能超过润滑膜最小厚度。5结论z, 霄爵目 k u霄 盘 0暑髓 . 0

压力分布以及滑动轴承承载能力的影响都十分有限，基本上可以忽略不计。

( )随着水中杂质含量的增加，水润滑滑动轴 1承的水膜压力增大，但水膜压力的分布规律基本不受杂质含量变化的影响。( )随着水中杂质颗粒含量的增加，水润滑滑 2

动轴承的承载能力也相应增加；随滑块速度的增加，

杂质含量对轴承承载能力的影响就越明显，但应注意此时相应的磨损量也会增加。( )杂质颗粒直径对水润滑滑动轴承的水膜压 3力分布以及承载能力的影响程度很小。参考文献【】Jhn iS z e vs .Wa ru ra o ficn 1 aamr,Om nY,I K eL t b ctno si e l i i lontd l i[] T bl y Ltr,20,1 ( ) ii i sd g J . r o g ees 04 7 3: r e n in i o t4—41 09 7.

图 4杂质颗粒直径对润滑膜压力场分布的影响Fg4 Ifu n e o mp rt imee n pe s e i nl e c fi u iy da tro rsur

dsrb to fwe g—h p d sie bo k it u in o d e s a e l lc i d

【】刘宪伟.面向绿色开采的低黏度介质润滑理论及应用研究 2[ .北京： D]中国矿业大学 (北京 ) 0 8,20 .

【】李琪飞.基于两相流的水轮机引水一 3导水部件内流特性研究[] D .兰州理工大学，20:1 1. 06 7— 8

【】杜玉萍.进料分布器气液两相流场的 C D研究[ .天 4 F D]津：天津大学，20:1 1. 05 2— 9

【】李慧 .固一分离用水力旋流器的三维数值模拟研究 5液图 5杂质颗粒直径对滑动轴承承载能力的影响 Fi I lu n e o m p it a g5 nf e c fi ur y dimetro o d a— e nla c tyn a ct fwe g—h p d sie bo k ri gc pa i o d es a e l lc y d

[] D .郑州：郑州大学， 0

6 6— 9 20:1 1 .

【】周韬.旋风分离器的气固两相特性研究与数值模拟[] 6 D.上海：上海交通大学，2 0:1 2 . 0 7 0— 4

而当水中混入的杂质颗粒直径大于轴承的最小水膜厚度时，由于颗粒粒径大于水膜的厚度，因此颗粒

【】H lne S ere JM,M zyr 7 o i r,G ogs lg aue D,e a.Hs—rs r t 1 i pes e h ulb ct nwt l ea r tr q eu r at[] ur ao i m lr t c e i auosl i n J . i i ha l suu sn b u cT b lg e es 0 0,9 (/ ):7 i r ooyL t r,2 0 t 34 5—8 . 3

与滑动轴承的两个表面均发生直接接触，将直接承担部分滑动轴承载荷。此时的计算已经不能采用简单的(上接第 6 1页)【】方开泰，马长兴.正交与均匀试验设计[ .北京：科 2 M]学出版社。2 0 . 01

【】陈战.水润滑轴承的摩擦磨损性能及润滑机理的研究 8[]重庆：重庆大学，20:1 8 . D. 03— 0

sl e[] Ma r l rt t n 0 5,3 ( ) 3一 u d J . t a Po c o,2 0 i f e ei i 8 I:1l 9.

【】王吉孝，王志平，霍树斌，等.1M R钢焊接接头表面纳 4 6n米化及接头抗 H S力腐蚀性能[]:应 J .焊接，20 ( ) 05 2:1—1 3 8.

【】熊天英，王吉孝，金花子，等.0 r8 i i 3 ClN9钢焊接接头表 T面纳米化及接头抗 H s应力腐蚀性能的研究[]材料： J.

保护， 0 5 8 ( ) 3— 9 20,3 1:1 1 .XI ONG T a yn, WANG Jxa in i g iio,J N Hu z, e 1 S r I a i t a. u -f c n c y tliain o a ena o r salz to fOCr Ni t il s te l— l8 9Tisan e s se lwe d

W a g Jxa, W a g Z ii g Hu S u i e 1 S r c n iio n hpn, o h bn, t a . uf e a

n n cytlzt no 6 R te ed djit a d ivsia ao rsalai f1 Mn s lw le ns n n et— i o e o g

t no ei n 2 t s cr

s n[] We i,20 i r s gH S ses o oi o n st i r r o J. ln d g 05( ):1 2 3—1 . 8

igjit n srs tn et t s orso f y rg nd— n on di ei a c os e sc r ino do e j a t s r o h

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