1前言
由于優(yōu)良的耐腐蝕性、耐磨性和其它性能以及電鍍法無可比擬的均鍍能力等方面的特點(diǎn)，化學(xué)鍍鎳磷非晶態(tài)合金在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域被廣泛地應(yīng)用。但是，由于化學(xué)鍍鎳磷合金特殊的加工工藝過程和鍍層性能，迄今為止，人們不僅對鎳磷合金鍍層的反應(yīng)沉積過程了解不甚清楚，同時(shí)對影響鎳磷合金鍍層性能的諸多因素也考察不夠。
目前石油工業(yè)對鎳磷合金鍍層的應(yīng)用抱有濃厚的興趣，尤其希望將其應(yīng)用到油田集輸管道，以解決近年來高礦化度、H2S、CO2和細(xì)粉砂對集輸管道造成的強(qiáng)烈的腐蝕、沖刷腐蝕損壞。而集輸管道應(yīng)用化學(xué)鍍鎳磷合金技術(shù)的難點(diǎn)，除了施鍍工藝技術(shù)外，還在于鍍覆后管道的焊接問題。焊接過程對鎳磷合金鍍層的耐腐蝕性能有何種影響？焊口處會(huì)不會(huì)形成陽極區(qū)或電偶對而加速腐蝕？焊縫區(qū)的溫度分布及其對鎳磷合金鍍層組織結(jié)構(gòu)的影響是極為復(fù)雜的［1］。因此，深入了解焊接過程中的溫度和時(shí)間組合條件對鎳磷合金鍍層性能的影響很有必要。本文通過短時(shí)間熱處理的方式模擬焊接熱影響區(qū)中各點(diǎn)的情況，研究鎳磷合金鍍層性能的變化規(guī)律。
2試驗(yàn)內(nèi)容
試驗(yàn)樣品為60mm×50mm×3mm的Q235(A3)鋼，采用AEN540高耐蝕耐磨化學(xué)鍍鎳磷合金技術(shù)［2］對樣品實(shí)施化學(xué)鍍，以獲得鎳磷合金鍍層，鍍層厚度為25μm。然后，在馬弗爐中進(jìn)行不同溫度、不同時(shí)間的熱處理。為了考察短時(shí)間熱處理條件對鎳磷合金鍍層性能的影響，采用表1的熱處理?xiàng)l件。
表1 熱處理?xiàng)l件
| 時(shí)間／s | 10 | 30 | 60 | ||||
| 溫度／℃ | 200 | 400 | 500 | 600 | 700 | 800 | 1000 |
X射線衍射試驗(yàn)采用D／max-TA型衍射儀進(jìn)行測量。試驗(yàn)條件為：鈷靶輻射，石墨單色器濾波，管壓40kV，管流100mA，狹縫寬度DS／SS均為1°，RS為0.15mm，采用閃爍計(jì)數(shù)管計(jì)數(shù)。
鍍層硬度采用HX-1顯微硬度計(jì)測試，測試條件為：100g，15s。每個(gè)樣品至少測試3個(gè)點(diǎn)，然后取平均值。
電化學(xué)測試采用美國EG＆G PAR M352腐蝕電化學(xué)測試系統(tǒng)和M388電化學(xué)阻抗譜測試系統(tǒng)進(jìn)行測量。參比電極為飽和甘汞電極(SCE)。采用如圖1所示的有機(jī)玻璃制作的電解池，以利于大尺寸試驗(yàn)樣品進(jìn)行多點(diǎn)測試，免去機(jī)加工過程對鎳磷合金鍍層表面的影響。實(shí)驗(yàn)溶液為3.5%NaCl，常溫常壓。
3試驗(yàn)結(jié)果及討論
對各種條件熱處理后的樣品進(jìn)行X射線衍射分析后發(fā)現(xiàn)：在1000℃、60s條件下熱處理后的鎳磷合金鍍層表現(xiàn)出明顯的尖銳峰，表明鍍層已發(fā)生晶化，并有Ni3P等金屬間化合物相析出。除了1000℃、60s條件外，在所有試驗(yàn)溫度和時(shí)間條件下進(jìn)行熱處理后的鎳磷合金鍍層均基本保持了與鍍態(tài)鍍層相同的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特征，均在2θ＝52°時(shí)呈現(xiàn)漫散峰。但是，在這些漫散峰上，均不同程度地疊加有小的尖峰，如圖2所示。這說明這些鍍層均發(fā)生了不同程度的晶化。圖3是不同溫度、時(shí)間為30s熱處理后的鎳磷合金鍍層的硬度與熱處理溫度的相互關(guān)系。由圖3可見，在短時(shí)間熱處理?xiàng)l件下，隨著熱處理溫度的升高，鎳磷合金鍍層的硬度是隨之增加的，在700℃時(shí)，硬度達(dá)到最大值；溫度進(jìn)一步升高，硬度反而下降。這一結(jié)果與常規(guī)熱處理(1h)在400℃呈現(xiàn)硬度最大值結(jié)果有很大的不同。鎳磷合金鍍層硬度的提高來自于鍍層中Ni3P硬質(zhì)相的析出，而Ni3P硬質(zhì)相析出量的多少取決于鍍層晶化程度，或原子擴(kuò)散重排的程度以及Ni3P析出相的顆粒大小和分散程度。鍍層在一定溫度下保溫一定時(shí)間就為原子擴(kuò)散重排提供了一定的能量，從而使鍍層發(fā)生了非晶態(tài)向晶態(tài)的轉(zhuǎn)變。從圖2的X射線衍射譜圖上所顯示的尖峰可以證明，鍍層確實(shí)發(fā)生了原子擴(kuò)散重排，Ni3P相析出并彌散在鍍層中，使鍍層發(fā)生了不同程度的晶化。顯然，在高溫下，原子擴(kuò)散速度較快，能在較短的時(shí)間內(nèi)發(fā)生一定量的原子擴(kuò)散重排，使得在700℃、30s熱處理后，鍍層硬度得到了很大的提高。進(jìn)一步升高溫度，晶化熱驅(qū)動(dòng)能量增大，使得析出的Ni3P相顆粒更容易長大，分散度下降，鍍層硬度反而下降。
對不同條件下熱處理后的鎳磷合金鍍層進(jìn)行了動(dòng)電位極化曲線的測量。圖4分別是3個(gè)典型溫度和不同時(shí)間熱處理?xiàng)l件下的極化曲線。表2是根據(jù)動(dòng)電位極化曲線，由PAR公司M352腐蝕電化學(xué)分析軟件計(jì)算得到的相應(yīng)的電化學(xué)參數(shù)。由圖4可見，短時(shí)間熱處理后，鎳磷合金鍍層沒有表現(xiàn)出明顯的鈍化趨勢。與鍍態(tài)相比，隨著電位的升高，熱處理后鍍層的陽極溶解電流表現(xiàn)出較為復(fù)雜的變化關(guān)系。圖5表示了短時(shí)間熱處理后，鎳磷合金鍍層的腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流(Icorr)隨溫度的變化關(guān)系。從這些試驗(yàn)結(jié)果可以看到，經(jīng)400℃熱處理，鍍層的腐蝕電位隨保溫時(shí)間的延長而降低，但腐蝕電流、陽極溶解電流均小于鍍態(tài)鍍層的腐蝕電流和陽極溶解電流。溫度達(dá)到700℃，腐蝕電位進(jìn)一步降低，而腐蝕電流則反而減少；10s、30s熱處理后的陽極溶解電流高于鍍態(tài)鍍層，熱處理時(shí)間延長(60s)后才使得陽極溶解電流降低。在1000℃，腐蝕電位出現(xiàn)正移趨勢，腐蝕電流則達(dá)到最小；而陽極溶解電流只有在延長熱處理時(shí)間(60s)才能小于鍍態(tài)鍍層的陽極溶解電流。腐蝕電位隨熱處理溫度的升高和時(shí)間延長而負(fù)移的原因在于：由于鍍層表面發(fā)生了氧化，并且發(fā)生部分晶化，原有非晶態(tài)所具有的化學(xué)成分的均勻性和電化學(xué)均勻性受到了破壞，出現(xiàn)了晶粒、晶界，而Ni3P相是更具陽極性、電位更負(fù)的成分，因此其腐蝕電位負(fù)移。