化学镀Ni-Cu-P在露点腐蚀防护中的应用

作     者：张健 

作者单位：北京化工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐聿明

授予年度：2017年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：Ni-Cu-P镀层 耐蚀性 露点腐蚀 化学镀 

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℃C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:NiSO4 25g/L、CuSO40.9g/L、NaH2PO235g/L、Na3C6H5O745g/L、NaCH3COO 15g/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、1 h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1.5 h时镀层的性能最好,厚度为43.8 μm,孔隙率接近0,镀层硬度最小(656.1 Hv),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1.5 h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。