一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层及其制备方法技术

本发明专利技术属于耐蚀涂层技术领域，具体涉及一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：先采用氩离子辐照源对钢进行辐照，辐照过程中靶室呈真空状态，再对碳钢储罐内壁进行双辉等离子渗Cr合金化处理，然后对Cr合金层进行活性屏离子氮化处理，制备Cr2N涂层。该方法制备的Cr2N涂层内部组织成分呈梯度分布，Cr、N元素含量由表及里逐渐降低，Cr2N涂层与碳钢储罐内壁呈冶金结合，涂层与基体的界面存在互扩散现象，涂层组织致密，从而使其能耐高浓度和中等浓度硫酸的腐蚀。使其能耐高浓度和中等浓度硫酸的腐蚀。

【技术实现步骤摘要】
一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层及其制备方法


[0001]本专利技术属于耐蚀涂层
，具体涉及一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层及其制备方法。

技术介绍

[0002]浓硫酸储罐的主要成分一般是钢铁，通常使用碳钢材料。浓硫酸储罐内壁会与接触到的硫酸直接发生化学反应而引起化学腐蚀，这一类腐蚀的化学反应是铁等金属与氧化剂之间的氧化还原反应。低浓度和高浓度硫酸属于氧化性酸，中等浓度硫酸属于非氧化性硫酸，氧化会对铁碳合金产生强烈的氢去极化腐蚀。此时，腐蚀速率随硫酸浓度增加而增大。有文献研究表明，当硫酸浓度达到47％～50％时，腐蚀速率最大；当硫酸浓度进一步增大时，由于浓硫酸具有氧化性，使铁生成具有保护性钝化膜，腐蚀速率逐渐下降；当硫酸浓度达到70％～98％时，腐蚀速率将很低。
[0003]目前，实际市面上的金属硫酸储罐，90％以上是采用普通碳钢制造的。但是，普通碳钢不耐浓度80％以下的硫酸。普通碳钢用于80％以下浓度硫酸时，就必须采取防护措施。目前市面上使用较多的防护措施主要有：涂料、内衬橡胶、内衬玻璃钢或玻璃鳞片胶泥。碳钢外壳内刷防腐涂料的方法一般针对常温下低浓度(45％以下)稀硫酸碳钢储罐。碳钢外壳内衬橡胶的方法针对的是中低温下的稀硫酸溶液，它兼具耐磨、防空蚀、抗应力变化、耐温度聚变等特殊性能，但同时存在耐热性较差、不耐具有氧化性的浓硫酸、导热性能差、耐腐蚀层较薄等缺陷。碳钢外壳内衬内衬玻璃钢或玻璃鳞片胶泥属于树脂重防腐方法，这类方法适用于一定温度下的稀硫酸。虽然以上方法均能改善碳钢储罐耐稀硫酸的能力，但是却不耐氧化性的浓硫酸，如：常温下80％以上浓度的硫酸或65℃以上65％～80％的中等浓度的硫酸。因此迫切开发一种可以解决储存中等浓度硫酸储存中耐蚀问题的材料。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是解决现有技术的不足，提供一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层及其制备方法，具体采用以下的技术方案：
[0005]一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层的制备方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1：采用氩离子辐照源对钢进行辐照，辐照过程中靶室呈真空状态，温度为500℃～550℃，离子辐照剂量为5
×
10
18
～2
×
10
19
ions/cm2；
[0007]步骤2：对碳钢储罐内壁进行双辉等离子渗Cr合金化处理，上述双辉等离子渗Cr合金化处理后形成Cr合金层；
[0008]步骤3：对碳钢储罐内壁的Cr合金层进行活性屏离子氮化处理，制得Cr2N涂层。
[0009]本专利技术采用离子辐照技术用于辐照钢表面，能够显著增加钢金属内部缺陷，如点缺陷、位错环、空位团、线缺陷等，提高离子渗透通道和位置，增加Cr离子的扩散距离，增强耐蚀性；通过双辉等离子表面冶金技术在碳钢储罐内壁制备Cr2N涂层，Cr2N涂层表面组织为细小鳞片状结构，其表层Cr元素和N元素的原子比为2：1；Cr2N涂层内部组织成分呈梯度分
布，Cr、N元素含量由表及里逐渐降低，Cr2N涂层与碳钢储罐内壁呈冶金结合，涂层与基体的界面存在互扩散现象，涂层组织致密，结合强度高，从而使其能耐高浓度和中等浓度硫酸的腐蚀；通过离子辐照技术和双辉等离子表面合金化技术，能够大大提升Cr的渗透性能，Cr成分的梯度分布改善了涂层和界面组织和性能的相对连续，在外场热力耦合作用下内应力小。此外，Cr2N涂层具有高硬度、高熔点、优异的化学稳定性及抗摩擦磨损性能，在700℃下具有良好的热稳定性。
[0010]作为进一步优选的实施方式，上述对碳钢储罐内壁进行双辉等离子渗Cr合金化处理后，碳钢储罐内壁Cr合金层厚度为40μm～60μm。当Cr合金层过薄难以达到耐蚀效果，而如果Cr合金层过厚会有剥落的风险。
[0011]作为进一步优选的实施方式，上述碳钢所选用的为Q235碳钢。该型号的碳钢价格便宜，市场上易获得，且在化工企业和设计单位应用广泛。
[0012]作为进一步优选的实施方式，上述步骤2中双辉等离子渗Cr合金化处理采用的是源极溅射，所选用的靶材为纯Cr筒，纯Cr筒壁厚为5mm。Cr靶脆性较大，筒壁过小难以加工，而筒壁过大会使得渗Cr过程中需要功率更大的溅射电源，增加加工成本。
[0013]作为进一步优选的实施方式，上述Cr筒壁上加工出等距排列直径为3mm，孔距为5mm的通孔。Cr筒壁上的通孔的作用是改善渗Cr过程中等离子体中活性Cr原子的流动性，孔径越大等离子体中活性Cr原子的流动性越好。但是过大的孔径会产生空心阴极放电现象，导致等离子体中局部区域活性Cr原子的浓度偏高，使得Cr合金层厚度不均匀。此外，空心阴极放电现象还会产生大量的热量，导致靶材局部温度过高，甚至有靶材熔化的风险。
[0014]本专利技术还提供了上述碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层制备方法的具体处理步骤，具体步骤如下：
[0015]S1：将碳钢储罐装入双辉等离子表面处理炉中并与工件电极相连；
[0016]S2：将纯Cr筒置于碳钢储罐内部，并使Cr筒外壁与储罐内壁保持20mm间距，将Cr筒与源极电极相连；
[0017]S3：抽真空至本底真空度为10
‑3Pa后，通入氩气；
[0018]S4：采用氩离子辐照源对钢进行辐照，辐照过程中靶室呈真空状态，温度为500℃～550℃，离子辐照剂量为5
×
10
18
～2
×
10
19
ions/cm2；
[0019]S5：开启工件电极电源，对碳钢储罐内壁进行等离子轰击预处理，所述等离子轰击预处理所设置的工艺参数为：工件电极电压为650V，氩气气压为30Pa，处理温度为600℃，处理时间为1h；
[0020]S6：开启源极电极电源并调整工件电极电源，对碳钢储罐内壁进行双辉等离子渗Cr合金化处理，所述双辉等离子渗Cr合金化处理所设置的工艺参数为：源极电极电压为1100V
‑
1200V，工件极电压为700V
‑
800V，氩气气压为50Pa，源极与工件极间距为20mm，处理温度为900℃
‑
1000℃，处理时间为3h
‑
6h；
[0021]S7：通入氮气，调整源极电极和工件电极电源，对碳钢储罐内壁进行活性屏离子氮化处理，该处理工艺参数为：活性屏电压为700V
‑
800V，工件极电压为500V
‑
600V，氮气与氩气比例(氮氩比)为2：1，氮氩混合气体气压为100Pa，源极与工件极间距为20mm，处理温度为750℃，处理时间为12h
‑
18h。以上工艺参数中，氮氩比、处理温度和处理时间是关键。氮氩比是获得Cr2N涂层的关键因素，氮氩比过低，难以获得Cr2N涂层，且Cr2N涂层厚度较薄；若氮氩
比过高，则会使得Cr2N涂层转变为CrN涂层，而CrN涂层的脆性较Cr2N涂层更大，容易剥落；处理温度过低，原子扩散较困难，Cr2N涂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳钢储罐内壁Cr2N耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：步骤1：采用氩离子辐照源对钢进行辐照，辐照过程中靶室呈真空状态，温度为500℃～550℃，离子辐照剂量为5
×
10
18
～2
×
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ions/cm2；步骤2：对碳钢储罐内壁进行双辉等离子渗Cr合金化处理，所述双辉等离子渗Cr合金化处理后形成Cr合金层；步骤3：对钢储罐内壁的Cr合金层进行活性屏离子氮化处理，制得Cr2N涂层。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在步骤1之前还包括对碳钢储罐内壁进行等离子轰击预处理。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述对碳钢储罐内壁进行双辉等离子渗Cr合金化处理后，碳钢储罐内壁Cr合金层厚度为40μm～60μm。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述碳钢所选用的为Q235碳钢。5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤1中双辉等离子渗Cr合金化处理采用的是源极溅射，所选用的靶材为纯Cr筒，纯Cr筒壁厚为5mm。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述Cr筒壁上进行Cr合金加工，加工出等距排列直径为3mm，孔距为5mm的通孔。7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法的具体过程如下：S1：将碳钢储罐装入双辉等离子表面处理炉中并与工件电极相连；S2：将纯Cr筒置于碳钢储罐内部，并与储罐内壁保持20mm间距，将Cr筒与源极电极相连；S3：抽真空至本底真空度为10
‑3Pa后，通入氩气；S4：采用氩离子辐照源对钢进行辐照，辐照过程中靶室呈真空状态，温度为500℃～550℃，离子辐照剂量为5
×
...

【专利技术属性】
技术研发人员：甘蓓，林黛琴，胡志华，黄俊，唐丽君，钟永红，赵潭，马熙雅，冷磊，王凤，
申请(专利权)人：江西省检验检测认证总院工业产品检验检测院，
类型：发明
国别省市：