316L不銹鋼表面電鍍鎳工藝及其耐蝕性能研究

王 斌，王 力，查春梅

(銀川能源學院 化學與生物工程學院，寧夏 銀川 750001)

石油開采行業發展至今，我國大多數油田都已進入到石油開采的中后期階段，油田污水也成為現今油田防腐工作的重點研究對象[1-2]。由于油田污水有著復雜的化學成分，溫度和礦化度普遍偏高，且因含有大量的CO2等氣體而呈弱堿性反應，致使采出水容易腐蝕油田金屬設備[3-4]，以上條件使得采油設備對材料的要求更高。316L奧氏體不銹鋼被廣泛應用于化工、機械、醫療等行業。在油田開采中，常把316L奧氏體鋼用在油田腐蝕條件較困難的地方，是由于它的組成成分中有大量的Cr、Ni、Mo等元素使其具有良好的塑性、韌性和耐腐蝕性能。但由于不銹鋼表面附著致密鈍化膜并且在環境中所含的氯離子又會損傷鈍化膜而造成穿孔等現象發生，所以在油田污水中使用316L不銹鋼時仍需要一定的腐蝕防護措施。為此采用工業上廣泛使用的電鍍技術在316L不銹鋼表面沉積鎳鍍層的方法來提升316L不銹鋼在含酸性介質中的耐蝕性能，并通過大量實驗優化工藝參數，以獲取性能最優的電鍍鎳鍍層。

不銹鋼表面的鈍化膜致密性決定了它的優良耐蝕性，目前對不銹鋼鈍化膜的結構已經有了大量的相關報道[5-7]。文獻[8]研究了316L不銹鋼及其在不同工藝參數(濃度醋酸)下的電化學性能。國內外學者經過大量實驗，發現了在奧氏體不銹鋼基體中添加Mo等元素、在不銹鋼表面通過電沉積或采用其他方法對不銹鋼材料進行表面改性以提高其耐蝕性。文獻[9]通過在含有氯離子的醋酸溶液中研究316L不銹鋼鈍化膜的腐蝕性能。文獻[10]通過在鐵素體不銹鋼表面電鍍了Fe-Ni合金層，然后將合金鍍層進行氧化，得到了以Fe2O3和NiO為主的致密的氧化膜層。

本文在316L不銹鋼表面利用正交實驗，研究了一定條件下不同溫度對鍍層硬度及耐腐蝕性的影響，并通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射譜圖和硬度測試分析了工藝參數對鍍層結構的影響。

1 實驗方法

1.1 實驗材料與藥品

本實驗的樣品為316L不銹鋼(022Cr17Ni12Mo2)，其中鐵的含量高達65.15%。其次是鎳和鉻的含量分別12.58%和17.14%，碳和硫含量均為0.03%，硅含量為0.75%，磷含量為0.045%，錳含量為2.0%，鉬含量為2.28%。

1.2 電鍍方法

根據本實驗電鍍Ni工藝，將316L不銹鋼樣品用1000#、1500#、2000#砂紙進行打磨，降低表面粗糙度，使表面光滑；用去離子水沖洗干凈，再將試片放入35%鹽酸溶液中酸洗30 min，取出后用去離子水沖凈，進行電鍍操作。電鍍主要是把樣品作為陰極，放入配置好的電鍍液中，另一端鎳板作為陽極，使鍍件與鎳板處于平行狀態，連接導線通電后，在鍍件表面析出金屬的電化學過程。

1.3 鍍層性能測試方法

采用EM32-gyk-01電子顯微鏡對樣品進行面形貌觀察。X射線衍射儀主要用來分析材料的晶體結構，其基本原理是布拉格方程。圖層硬度采用洛氏硬度計進行測量。采用電化學工作站對所制備樣品的耐蝕性進行表征。

2 結果與分析

2.1 表面形貌觀察以及成分分析

表1是60℃下制備的Ni鍍層的EDS元素分析表。從表1中可以看出，在鍍液溫度為60℃時制備的Ni鍍層中有1.28%的Fe元素，由于涂層薄，掃到了基體中的鐵元素，97.17%的Ni元素，其余的為O元素，含量約為1.55%。

圖1 60℃下Ni鍍層微觀形貌

Fig.1 Ni coating morphology at 60℃

表1 電鍍溫度60℃的鎳層元素分布

2.2 XRD分析

鍍層的晶態以及晶體結構使用XRD分析技術來測試，本實驗所用的X射線衍射儀是由日本產的型號為XRD-7000。

圖2 不同電鍍溫度下鍍層XRD測試

圖2為在不同電鍍溫度下制備鎳鍍層的XRD測試結果，從圖中可以看出3種鍍液溫度下的鍍層都呈現出單一的鎳層峰，沒有其他的雜峰，可以得出鍍液溫度為20、40、60℃時的電沉積鍍層都為鎳元素組成。

2.3 硬度測試分析

采用數顯洛氏硬度計對不同電鍍溫度下制備的Ni鍍層進行硬度測試，結果如表2所示，從表中可以看出，沉積Ni鍍層的洛氏硬度比316L不銹鋼基體的洛氏硬度有明顯提高。在其他參數不變的情況下，電鍍溫度為60℃時，所得鎳層硬度最佳。這可以解釋為所鍍Ni層晶粒的細化引起鍍層表面顯微硬度的增加。

圖3 不同電鍍工藝參數制備的Ni鍍層

表2 基體及不同溫度值下鍍件所測硬度值

2.4 電化學性能測試分析

圖4是溫度分別為20℃、40℃、60℃及電流在0.06 A的條件下，不同電鍍樣品在腐蝕溶液中的極化曲線測試結果，從圖中可以看到，對316L不銹鋼進行電沉積Ni鍍層能夠顯著地提高不銹鋼在該介質中的自腐蝕電位，降低自腐蝕電流密度。對比不銹鋼基體與Ni鍍層可以發現，20℃及40℃時Ni鍍層的自腐蝕電位雖然比60℃時的Ni鍍層低，這主要是由于鍍層中Ni含量不同造成的。但是60℃時Ni鍍層的自腐蝕電流密度更小，有著更優異的耐蝕性。

圖4 不同電鍍條件下各樣品的極化曲線圖

表3 基體及不同溫度值下鍍件的腐蝕參數

3 結論

本文在316L不銹鋼表面利用正交實驗，研究了一定條件下不同溫度對鍍層硬度及耐腐蝕性的影響，并通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射譜圖和硬度測試分析了工藝參數對鍍層結構的影響。所得的結論如下：

(1)電鍍鎳層的工藝參數如下：頻率100 Hz、電流強度0.06 A、電鍍溫度20～60℃、電鍍時間40 min。

(2)研究了一定條件下溫度對于Ni鍍層試樣硬度及耐腐蝕性的影響，并通過掃描電子顯微鏡、X射線衍射譜圖和硬度測試分析了工藝參數對鍍層結構的影響。

(3)當電鍍時間和電流一定時，電鍍溫度的不同對鍍層硬度影響較大，溫度偏高或偏低都會使鎳鍍層的力學性能變差；電鍍溫度為60℃時，所得鎳鍍層的硬度最好。

(4)利用電化學工作站對316L不銹鋼進行電化學性能測試，在條件為飽和CO2氣體腐蝕溶液中，電鍍溫度在60℃下的鍍層耐蝕性最好。