防腐蝕鍍銅碳鋼及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種防腐蝕鍍銅碳鋼及其制備方法，屬于防腐蝕處理【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法包括：化學(xué)浸銅：將碳鋼置于20-40℃的鍍銅液中浸漬15-60秒，使碳鋼表面鍍上銅層，所述鍍銅液中Cu2+的濃度為0.1-0.5mol/L，H+的濃度為3-6mol/L；鈍化處理：將經(jīng)化學(xué)浸銅處理的碳鋼置于50-80℃的鈍化液中處理3-10min，吹干，即得防腐蝕鍍銅碳鋼。該方法在強酸環(huán)境中對碳鋼表面進(jìn)行化學(xué)鍍銅，得到的鍍層與碳鋼結(jié)合強度大于20MPa，并且具有良好的耐腐蝕性能。并且該方法具有工藝簡單、操作方便、處理時間短和節(jié)約能源，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點。
【專利說明】防腐蝕鍍銅碳鋼及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種防腐蝕處理【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種防腐蝕鍍銅碳鋼及其制備 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著電力行業(yè)"特高壓"工程的普及，對變電站安全可靠性的要求越來越高。一般 來說，變電站的整個組成大致可以分為地上部分和地下接地網(wǎng)部分。地下接地網(wǎng)主要由碳 鋼和鍍鋅鋼等構(gòu)成，這部分結(jié)構(gòu)的耐腐蝕性能對變電站的穩(wěn)定、安全運行起到了至關(guān)重要 的作用。但在實際運行時，在含侵蝕性離子較高或酸性土壤中，接地體材料的腐蝕尤為嚴(yán) 重，接地體材料的腐蝕造成接地電阻超標(biāo)，甚至因腐蝕斷裂造成一些電氣設(shè)備"失地"的情 況每年都有發(fā)生，將直接威脅到電網(wǎng)的運行安全。
[0003] 目前來說，應(yīng)用較多的接地體材料為鍍鋅鋼，但隨著服役時間的延長，鍍鋅層常常 逐漸脫落，耐蝕性能與普通碳鋼相差不大，不能明顯的改善接地網(wǎng)的防腐蝕性能。而常見 的耐蝕材料如銅和不銹鋼等的應(yīng)用由于受到資源和經(jīng)濟等原因的制約，接地網(wǎng)整體材料采 用銅材會使投資成本增大，經(jīng)濟性下降，因此，在碳鋼表面制備金屬涂鍍層是一種有效的方 法。
[0004] 但常用的化學(xué)鍍鎳等金屬鍍層和熱噴涂金屬涂層等處理方法存在工藝復(fù)雜、處理 時間長、成本較1?等缺點。
[0005] 銅離子置換鐵形成單質(zhì)銅是一個經(jīng)典化學(xué)反應(yīng)，但是，迄今為止，仍然沒有人能將 該經(jīng)典反應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，這是因為其中存在著若干的破壞性副反應(yīng)，針對該問題， 國內(nèi)外廣大學(xué)者進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究，如吳臣等的研究（經(jīng)典鐵置換銅反應(yīng)的研究和工 業(yè)應(yīng)用，高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報，1996, 17 (7) 1092?1095.)發(fā)現(xiàn)，在置換過程中存在的諸多副 反應(yīng)會產(chǎn)生氧化亞銅和氧化鐵等副產(chǎn)物，而這些氧化亞銅和氧化鐵等容易造成鍍層粉化和 結(jié)合力不足，這也是該經(jīng)典反應(yīng)不能實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的主要原因。
[0006] 而在銅離子置換鐵形成銅鍍層反應(yīng)中，如何避免副反應(yīng)的產(chǎn)生就成為亟需解決的 問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 基于此，本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種防腐蝕鍍銅碳鋼及其 制備方法，采用制備方法，能夠在碳鋼表面鍍上與碳鋼結(jié)合力較大的銅層，并且該方法具有 工藝簡單、操作方便、處理時間短和節(jié)約能源，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點。
[0008] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案：
[0009] -種防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，包括以下步驟：
[0010] 化學(xué)浸銅：將碳鋼置于20-40°C的鍍銅液中浸漬15-60秒，使碳鋼表面鍍上銅層， 所述鍍銅液中Cu2+的濃度為0· 1-0. 5mol/L，H+的濃度為3-6mol/L ;
[0011] 鈍化處理：將經(jīng)化學(xué)浸銅處理的碳鋼置于50-80°C的鈍化液中處理3-10min，吹 干，即得防腐蝕鍍銅碳鋼。
[0012] 利用鐵置換銅的原理進(jìn)行化學(xué)鍍銅的技術(shù)已經(jīng)研究了多年，但至今未能實現(xiàn)工業(yè) 化生產(chǎn)。研究者經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)，該鐵置換銅的反應(yīng)在酸性介質(zhì)中，界面發(fā)生如下反 應(yīng)：
[0013] Cu2++Fe = Cu+Fe2+ I
[0014] Fe+2H+ = Fe2++2H II
[0015] 2H+Cu2+ = Cu+2H+ III
[0016] H+H = H2 IV
[0017] Fe+2Cu2++H20 = Cu20+Fe2++2H+ V
[0018] 2Fe+2H20+02 = 2Fe (OH) 2 VI
[0019] 上述反應(yīng)中，I式是我們進(jìn)行化學(xué)鍍銅的主反應(yīng)，而其它反應(yīng)II-VI是非必要的副 反應(yīng)，特別是其中的反應(yīng)V和反應(yīng)VI，分別生產(chǎn)氧化亞銅和氧化鐵（由氫氧化二鐵生產(chǎn)）， 而這些氧化亞銅和氧化鐵等容易造成鍍層粉化和結(jié)合力不足的問題；而反應(yīng)III的存在會 產(chǎn)生疏松的附著層，也會引起結(jié)合力的下降，從而使鍍層與碳鋼基體的結(jié)合強度不滿足要 求；并且，反應(yīng)II和反應(yīng)IV會產(chǎn)生氫氣，導(dǎo)致鍍層可能存在小孔，影響鍍層的緊密性，因此 制約了該化學(xué)鍍銅的工業(yè)化應(yīng)用。
[0020] 在常規(guī)思路中，一般在化學(xué)鍍銅時，為了抑制II-VI的副反應(yīng)進(jìn)行，需要使用酸堿 緩沖劑控制溶液的PH值在適當(dāng)?shù)姆秶瑥亩种艸 2的生成和氧化亞銅和氧化鐵的生成等 副反應(yīng)進(jìn)行。
[0021] 然而，通過進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，假設(shè)在置換時完全抑制H2的生成，則碳鋼表面生成 的是一絕對致密無孔的銅層，則由于銅層將碳鋼基體包裹，無裸露的鐵存在，因此僅能形成 單原子的致密銅層，不會繼續(xù)發(fā)生置換，由此得到的鍍層厚度非常微小，不足以滿足鍍銅層 的要求。所以，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)允許氫氣的產(chǎn)生，使鍍層存在適宜的小孔。
[0022] 在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明人改變常規(guī)思路，不使用酸堿緩沖劑控制溶液的pH值，反而 增大鍍銅液中H +的濃度，即在強酸溶液中置換銅來抑制反應(yīng)III、V、VI的進(jìn)行，進(jìn)而抑制氧 化亞銅和氧化鐵的形成，使鍍層粉化得到有效抑制，提高了鍍層與碳鋼基體的結(jié)合強度。并 通過對鍍銅液中H +濃度上限的限制以及對反應(yīng)溫度的控制，將H2的生成控制在適當(dāng)?shù)姆秶?內(nèi)。并且，為了減少H 2的產(chǎn)生對鍍層造成的影響，發(fā)明人還配合鈍化劑的使用，對鍍層進(jìn)行 表面鈍化處理，使鈍化劑以分子膜的形式吸附在銅鍍層表面，形成一層致密的保護膜，提高 了鍍層的耐腐蝕性能。
[0023] 在其中一個實施例中，所述鍍銅液中Cu2+的濃度為0. 2-0. 4mol/L，優(yōu)選 0. 3-0. 4mol/L。提高Cu2+的濃度，可以促進(jìn)主反應(yīng)的進(jìn)行，但是當(dāng)Cu2+濃度較高時，Cu 2+迅速 在碳鋼表面沉積，由于沉積速度過快，來不及緊密堆積，會影響銅鍍層的效果。因而，將Cu2+ 濃度控制在此范圍內(nèi)，具有最佳的鍍銅效果。
[0024] 在其中一個實施例中，所述鍍銅液中H+的濃度為4-6mol/L，優(yōu)選4-5mol/L。將H + 濃度控制在此范圍內(nèi)，具有最佳的鍍銅效果。
[0025] 在其中一個實施例中，所述Cu2+來源于硫酸銅、硝酸銅和氯化銅中的至少一種。
[0026] 在其中一個實施例中，所述H+來源于鹽酸、硫酸和硝酸中的至少一種。
[0027] 在其中一個實施例中，所述鈍化劑為2-羥基苯并咪唑、苯并三氮唑中的至少一 種，所述鈍化劑的濃度為10-100mm〇l/L。上述鈍化劑為銅的有效緩蝕劑，可有效提高鍍層的 耐腐蝕性能。
[0028] 在其中一個實施例中，所述化學(xué)浸銅步驟中，鍍上的銅層厚度為5-10μπι。
[0029] 在其中一個實施例中，所述化學(xué)浸銅步驟之前，還包括前處理步驟，所述前處理步 驟包括除油、噴砂和有機溶劑清洗工序。通過前處理步驟，充分去除碳鋼基體上附著的雜 質(zhì)，避免雜質(zhì)對置換反應(yīng)產(chǎn)生不良影響。
[0030] 本發(fā)明還公開了一種上述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法制備得到的防腐蝕鍍銅 碳鋼。該防腐蝕鍍銅碳鋼的銅鍍層與碳鋼結(jié)合力強，并具有防腐蝕的功能，可進(jìn)行廣泛的運 用。
[0031] 本發(fā)明還公開了一種上述的防腐蝕鍍銅碳鋼在制備變電站地下接地網(wǎng)中的應(yīng) 用。將該防腐蝕鍍銅碳鋼用于接地網(wǎng)中，該防腐蝕鍍銅碳鋼的鍍層與碳鋼的結(jié)合強度大于 20MPa，保持了良好的導(dǎo)電性能，進(jìn)而實現(xiàn)電流疏散功能，并且具有良好的耐腐蝕性能，延長 了接地網(wǎng)的使用壽命。
[0032] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0033] 本發(fā)明的一種防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，通過大量的研究后，克服常規(guī)思路中 的技術(shù)偏見，在強酸溶液中利用鐵置換銅的原理，對碳鋼表面化學(xué)鍍銅，得到的鍍層與碳鋼 結(jié)合強度大于20MPa，并且具有良好的耐腐蝕性能。并且該方法具有工藝簡單、操作方便、處 理時間短和節(jié)約能源，容易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的優(yōu)點。采用上述制備方法獲得的鍍銅層，不僅 可以用于電力系統(tǒng)接地網(wǎng)用碳鋼材料，還可用于碳鋼表面裝飾鍍銅，以獲得金屬銅色的外 觀。
[0034] 將該防腐蝕鍍銅碳鋼用于接地網(wǎng)中，由于鍍層與碳鋼結(jié)合強度較好，可以保持良 好的導(dǎo)電性能，進(jìn)而實現(xiàn)電流疏散功能，鈍化處理使獲得的鍍銅層具有良好的耐腐蝕性能， 延長了接地網(wǎng)的使用壽命。本工藝的實施有望替代接地網(wǎng)整體銅材的使用，大大降低投資 成本，經(jīng)濟效益顯著。

【具體實施方式】
[0035] 以下結(jié)合具體實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。
[0036] 以下實施例中所使用的各種原料均來源于市售。
[0037] 實施例1
[0038] -種防腐蝕鍍銅碳鋼，通過下述方法制備得到：
[0039] (1)前處理：以接地網(wǎng)用Q235碳鋼為基體材料，對其進(jìn)行除油、噴砂和有機溶劑清 洗工序。
[0040] (2)化學(xué)浸銅：將經(jīng)前處理的碳鋼置于30°C的鍍銅液中浸漬處理30秒，使碳鋼表 面鍍上銅層，所述鍍銅液由〇· 25mol/L CuSO4和3mol/L HCl組成。
[0041] (3)鈍化處理：將上述經(jīng)化學(xué)浸銅處理的碳鋼用蒸餾水沖洗去除殘留鍍銅液后， 置于65°C、30mmol/L苯并三氮唑的鈍化液中處理6min，經(jīng)蒸餾水沖洗后，熱風(fēng)吹干，即得防 腐蝕鍍銅碳鋼。
[0042] 經(jīng)檢測，本實施例得到的防腐蝕鍍銅碳鋼鍍層厚度為6 μ m，外觀均一而致密， 經(jīng)ASTM D4541(美國《使用便攜式附著性測試儀測定涂敷層扯離強度的試驗方法》）方法 測定，結(jié)果表明鍍層與基體碳鋼的結(jié)合力大于20MPa，鍍層導(dǎo)電性能與金屬銅相近，且經(jīng) XRD(X-射線衍射）測試表明，鍍層中不含有氧化亞銅等副產(chǎn)物。在3% NaCl溶液中浸泡測 試（參照金屬的實驗室浸漬腐蝕試驗規(guī)程，即ASTM G31方法測試）表明耐腐蝕性能提高近 4倍，具體請見下表。
[0043] 表1腐蝕速度對比（mm/a)

【權(quán)利要求】
1. 一種防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，包括以下步驟： 化學(xué)浸銅：將碳鋼置于20-40°C的鍍銅液中浸漬15-60秒，使碳鋼表面鍍上銅層，所述 鍍銅液中Cu2+的濃度為0· 1-0. 5mol/L，H+的濃度為3-6mol/L ; 鈍化處理：將經(jīng)化學(xué)浸銅處理的碳鋼置于50-80°C的鈍化液中處理3-10min，吹干，即 得防腐蝕鍍銅碳鋼。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述鍍銅液中Cu2+ 的濃度為 〇. 2-0. 4mol/L。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述鍍銅液中H+ 的濃度為4-6mol/L。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述Cu2+來源于 硫酸銅、硝酸銅和氯化銅中的至少一種。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述H+來源于鹽 酸、硫酸和硝酸中的至少一種。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述鈍化劑為 2-羥基苯并咪唑、苯并三氮唑中的至少一種，所述鈍化劑的濃度為10-100mmol/L。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1-6任一項所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述化 學(xué)浸銅步驟中，鍍上的銅層厚度為5-10 μ m。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法，其特征在于，所述化學(xué)浸銅步 驟之前，還包括前處理步驟，所述前處理步驟包括除油、噴砂和有機溶劑清洗工序。
9. 權(quán)利要求1-8任一項所述的防腐蝕鍍銅碳鋼的制備方法制備得到的防腐蝕鍍銅碳 鋼。
10. 權(quán)利要求9的防腐蝕鍍銅碳鋼在制備變電站地下接地網(wǎng)中的應(yīng)用。
【文檔編號】C23C18/54GK104264140SQ201410491414
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月23日
【發(fā)明者】劉世念, 王成, 朱圣龍, 魏增福, 王福會, 王文, 呂旺燕, 吳航, 王群昌, 錢藝華 申請人:廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電力科學(xué)研究院, 中國科學(xué)院金屬研究所