可控离子渗入技术PIP

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NACETM0177-2005标准

溶液A试验温度（℃）24±3试验应力（N/mm2）441.6(80%Rt0.5)试验周期

断裂或720h试样编号试验应力（N/mm²）持续试验时间（h）F（开裂）/NF（未开裂）1441.6720NF2441.6720NF3441.6720NF测试结果

1.2PIP技术与抗二氧化碳腐蚀

1.2.1PIP处理N80钢试样CO2腐蚀对比在CO2蒸馏水溶液中的腐蚀速率试样状态腐蚀速率/mm

a－10～18小时18～41小时41～68小时68～116小时未处理5.883.832.111.20

PIP处理处理

2.030.740.720.53离子HCO3-Cl-SO42­­-Ca2+Mg2+Na++K+浓度(mg/l)385.6515661.811505.091992.23487.839061.841.2.2温度对N80钢抗CO2腐蚀的影响模拟油田水质成分腐蚀温度40℃60℃90℃未处理试样腐蚀质量损失（mg）570/293683/33872/38PIP处理试样腐蚀质量损失（mg）282/16088/5342/24不同温度下试样的腐蚀质量损失及表面腐蚀物质质量1.3PIP处理对油井管材料在大气条件下抗蚀性的影响

材料状态腐蚀前重量(g)腐蚀后重量(g)失重(mg)平均质量损失(mg)质量损失比空白样15.4715.437839.239.1368.615.450315.412837.515.450715.4140.7氮化处理9.8369.8341.21.432.59.8389.8321.69.8319.8261.5PIP处理10.402910.40230.60.57110.419910.41940.510.436910.43630.6J55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)腐蚀后重量(g)质量损失(mg)平均质量损失(mg)质量损失比(％)空白样14.647714.611336.436.4012114.64514.606938.114.605714.57134.7氮化处理9.24739.24581.51.8069.24249.24081.69.23999.23762.39.58119.58030.89.57019.56881.3PIP处理9.66289.66240.40.3019.67989.67960.29.69689.69650.3N80材料PIP处理后的质量损失抗蚀性试验试样材料J55N80N80Q抗蚀性比空白试样0.50.50.51氮化试样17171734PIP处理试样2081851923901.4PIP处理技术抗盐雾试验

油井管材料的盐雾试验2、PIP处理石油管材料后的力学性能

2.1、冲击试验

材料试样编号冲击值J平均值

JAPI标准规定

J原材料值J

J55（正火态)13635≥1553.5

236

334

N80（正火态)12122≥1550.1

222323PIP处理对石油管材料的冲击韧性的影响

材料试样编号屈服强度(MPa)抗拉强度(MPa)延伸率％σ0.2平均值σb平均值δ平均值J55（正火态)1436.0432.0694.0690.018.318.32429.0685.018.23431.0691.018.4API标准规定397≤σ0.2≤552σb≥517e≥18%N80（正火态)1632.2634.7804.7814.215.014.72628.0816.814.63643.9821.014.4API标准规定552≤σ0.2≤758σb≥689e≥14%N80Q（调质态）1594.0581.0752.0735.716.0162587.0741.016.83562.0714.015.2API标准规定552≤σ0.2≤758σb≥689e≥14%2.2、拉伸试验PIP处理后石油管材料