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1、可控离子渗入技术,(PIP),罗德福,教授,博导,一、金属材料表面改性和表面强化,?,?,1,、需求,机械设备与仪器仪表，在使用过程中或因受到气、水,及某些化学介质的腐蚀，或因相互之间相对运动产生磨损，,或因温度过高而发生氧化，这些因素都会使产品表面首先,发生破坏或失效。据资料报道，各种机电产品的过早失效,破坏中约有,70%,是由腐蚀和磨损造成的。现代工业的迅速,发展，对机械工业产品提出了更高的要求，要求产品能在,高参数、高度自动化和恶劣的工况条件下长期稳定运转，,这就必然对产品表面的耐磨、耐蚀等性能的要求日益苛刻。,?,在某些情况下，若选用贵重金属或合金制造整体设备及,零件，有时也可满足表面
2、性能要求，但从经济上看往往是行,不通的，更何况在许多情况下也无法找到一种能够同时满足,整体和表面要求的材料。因此，研究和发展机械产品的表面,改性和表面强化技术，对于提高产品的使用寿命和可靠性、,对于改善机械设备的性能、质量，增强产品的竞争能力，对,于推动高技术和新技术的发展，对于节约材料、节约能源等,都具有重要意义。,2,、国内外技术状况及发展趋势,?,材料表面改性技术是一门由多种学科发展而来的技,术组合，其发展过程相当复杂，比如传统的表面淬火，,已由火焰加热，改为高频加热，近些年应用激光束、电,子束的淬火技术，已逐渐在扩大应用。其它化学镀技术、,热喷涂技术、浸渗金属技术、渗非金属技术、气相沉
3、积,技术、激光技术、离子注入技术，电弧喷涂技术、等离,子喷涂技术、电刷镀技术、粉末涂料技术、粘结技术等,都有发展。其发展趋势体现在如下四个方面。,1),、复合表面技术的研发,在单一表面技术发展的同时，综合运用两种或多种表面技术的复合,表面技术有了迅速的发展。,2),、开发多种功能涂层,随着工业的发展，对表面改性技术在解决延缓腐蚀、减少磨损、延,长疲劳寿命失效之外，提出了许多特殊的表面功能要求。,3),、研究开发新型涂层材料,表面涂层材料是表面技术解决工程问题的重要物质基础。,4),、纳米表面改性技术正在形成,特殊的表面性能是纳米材料的重要独特性能之一，表面工程无论在,工艺方法和应用领域方面都与
4、纳米材料技术有着不可分割的密切联系。,二、油井管,?,油井管长期埋在井下，经受各种腐,蚀性介质的腐蚀，而且由于各地的地质,情况不同，造成油井管腐蚀的情况也不,尽相同，油井管腐蚀的基本原因是由于,H2S,，,CO2,，,O2,，酸碱盐和水份等介质的,腐蚀。,1),金属镀层防腐法,:,如镀锌，镀铬等；,2),非金属材料包敷防腐法,:,如涂焦油沥青，,溶剂性涂料，粉末涂料等；,3),金属和非金属元素的渗入法,:,如渗入铝，,铬，硫，氮，硼等元素；,4),电化学防腐法；,5),防止微生物腐蚀法；,三、可控离子渗入技术,(PIP),可控离子渗入技术（,PIP,）是一种复合,表面技术。其运用多种工艺方法将
5、非金属元,素和微量金属元素渗人到产品，在产品表面,形成由金属元素的氧化物、溶入氧的化合物,晶格、金属元素的氮碳化合物以及氮在铁中,的固溶体组成的可控的多层复合渗层，从而,使产品整体内外同时形成防腐耐磨层。,1,、,PIP,处理后的抗蚀性,1.1,、,PIP,处理与抗硫化氢腐蚀,?,检测环境,?,试验溶液,?,NACE TM 0177-2005,标准,溶液,A,?,试验温度（）,24,3,2,?,试验应力（,N/mm,）,441.6(80%Rt0.5),?,试验周期,断裂或,720h,测试结果,试,样,编,号,1,2,3,试验应,持续试,F,（,开,裂,）,力,验时间,/NF,（,未,（,N/m
6、m,（,h,）,开裂）,2）,441.6,720,441.6,720,441.6,720,NF,NF,NF,?,?,?,?,1.2 PIP,技术与抗二氧化碳腐蚀,1.2.1 PIP,处理,N80,钢试样,CO,2,腐蚀对比,在,CO,2,蒸馏水溶液中的腐蚀速率,试样状态,未处理,腐蚀速率,/mm,?,a,1,0,18,小时,18,41,小时,41,68,小时,68,116,小时,5.88 3.83 2.11 1.20,?,?,?,?,?,PIP,处理处理,2.03 0.74 0.72 0.53,1.2.2,温度对,N80,钢抗,CO,2,腐蚀的影响,模拟油田水质成分,离子,HCO,3,-,Cl
7、,-,SO4,2-,Ca,2+,Mg,2+,Na,+,+K,+,浓度,(mg/l),385.65,15661.,1505.0,1992.2,81,9,3,487.83,9061.84,不同温度下试样的腐蚀质量损失及表面腐蚀物质质量,腐蚀温度,40,570/293,282/160,60,683/338,88/53,90,72/38,42/24,未处理试样腐蚀质量,损失（,mg,）,PIP,处理,试样腐蚀质量,损失（,mg,）,1.3,PIP,处理对油井管材料在大气条件,下抗蚀性的影响,J55,材料,PIP,处理后的质量损失抗蚀性试验,材料状态,腐蚀前重,腐蚀后重,量,(g),15.47,空白样,
8、15.4503,15.4507,氮化处,理,9.836,9.838,9.831,10.4029,10.4199,10.4369,量,(g),15.4378,15.4128,15.41,9.834,9.832,9.826,10.4023,10.4194,10.4363,失,重,(mg),39.2,37.5,40.7,1.2,1.6,1.5,0.6,0.5,0.6,0.57,1,1.43,2.5,39.13,68.6,平均质量,质量损失,损失,(mg),比,PIP,处,理,N80,材料,PIP,处理后的质量损失抗蚀性试验,试样材料,腐蚀前重,量,(g),14.6477,空白样,14.645,14.
9、6057,9.2473,氮化处,理,9.2424,9.2399,9.5811,9.5701,腐蚀后重,量,(g),14.6113,14.6069,14.571,9.2458,9.2408,9.2376,9.5803,9.5688,质量损失,(mg),36.4,38.1,34.7,1.5,1.6,2.3,0.8,1.3,平均质量,损失,(mg),36.40,质量损失,比,(,),121,1.80,6,9.6628,PIP,处理,9.6798,9.6968,9.6624,9.6796,9.6965,0.4,0.2,0.3,0.30,1,1.4,PIP,处理技术抗盐雾试验,油井管材料的盐雾试验,试样
10、材料,空白试样,氮化试样,PIP,处理试,样,J55,0.5,17,208,N80,0.5,17,185,N80Q,0.5,17,192,抗,蚀,性,比,1,34,390,2,、,PIP,处理,石油管材料后的力学性能,2.,1,、冲击试验,PIP,处理对石油管材料的冲击韧性的影响,试,冲,平,API,标,原,料,样编号,击值,J,均,值,准规定,J,材料值,J,J,1,36,J55,2,36,35,15,（正火,3,34,53.5,态,),1,21,N80,2,22,22,15,50.1,（正火,3,23,态,),材,2.2,、拉伸试验,PIP,处理后石油管材料的拉伸性能,屈服强度,试,样,编
11、,(MPa),材,料,号,0.2,平均值,1,436.0,2,429.0,432.0,J55,（正,3,431.0,火态,),API,标,准,397,0.2,552,规定,1,632.2,2,628.0,634.7,N80,3,643.9,（正火态,),API,标准,552,0.2,758,规,定,1,594.0,2,587.0,581.0,3,562.0,N80Q,（调质态）,API,标准,552,0.2,758,规,定,抗拉强度,延伸率,(MPa),平均值,平均值,b,694.0,18.3,685.0,690.0,18.2,18.3,691.0,18.4,b,517,804.7,816.8
12、,821.0,814.2,15.0,14.6,14.4,e,18%,14.7,e,14%,16.0,16.8,15.2,16,e,14%,b,689,752.0,741.0,714.0,735.7,b,689,3,、,PIP,处理应用实例,2012,年胜利油田采用,PIP,技术处理,了抽油杆、油管和电泵导叶轮等零部件，,自,2012,年,7,月份下井以来，产品至今仍,在正常工作。,3,、,PIP,处理应用实例,2012,年胜利油田采用,PIP,技术处理,了抽油杆、油管和电泵导叶轮等零部件，,自,2012,年,7,月份下井以来，产品至今仍,在正常工作。,齿圈,?,缸套,?,螺杆,?,销轴,?,塑钢机器销轴,?,阀套,液压件中央回转接头及其芯轴,石油钻采驱动零件,石油机械液体导流器,石油机械滑片,气弹簧活塞杆,高尔夫球头,?,压铸模,
