34 crmo4钢腐蚀的性质由喷丸加工修改

文摘

一层纳米晶体表面制备了34 crmo4钢通过时间控制喷丸加工(SP,即。1、5、10和20分钟)。场发射扫描电镜(FESEM)、x射线衍射(XRD)分析、透射电子显微镜(TEM)和用于分析表面,截面和晶粒尺寸的标本前后SP。电化学腐蚀行为被用来模拟液体石油和天然气井环境下。特点是potentiodynamic极化测试和电化学阻抗谱(EIS)。分析结果表明,SP样品的表面很粗糙,有很多裂缝。对SP表面钝化膜是由纳米晶体颗粒。然而,钝化膜形成的初期并不密集或统一,和裂缝发生钝化膜在锤击,导致耐蚀性下降。

1。介绍

Cr-Mo系列钢被广泛使用,因为他们的优良性能,合理的热处理工艺,如良好的淬透性和减震、回火脆性倾向,和良好的耐腐蚀性能(1,2]。由于这些性能优越,34 crmo4 Cr-Mo系列的钢,总是作为钻柱。近年来,高硫的钻井工具是脆弱和高温石油和天然气井,导致腐蚀甚至骨折失败,造成巨大的经济损失。纳米晶体材料(3,4)吸引了大量的利益由于其优良的性能在许多领域,如机械强度、耐磨性和耐蚀性5- - - - - -8]。表面改性包括表面沉积、物理气相沉积(PVD)和化学气相沉积(CVD) (9,10)、激光表面处理(11,12),喷丸加工(SP) (13- - - - - -16),这是一种有效改善材料的表面性能的方法。目前,SP是一种经济、低成本、有效的工业生产方法,显著提高耐磨性,耐疲劳,耐腐蚀的材料。严重的塑性变形导致的冷作硬化表层成功应用于纯金属(17),各种合金,钢(18- - - - - -20.]。

本研究旨在提高对SP 34 crmo4钢腐蚀的性质;喷丸时间的影响耐蚀性研究在模拟环境下液体的油井。此外,各种各样的方法被用来描述和分析耐腐蚀的机理。

2。材料和方法

化学成分的34 crmo4钢用于测试如表所示1,这是符合名义材料组成。在SP之前,标本被从870°C淬火,退火热处理在560°C 2小时(21]。热处理后,标本地面下降到2000粗燕麦粉碳化硅砂纸抛光布,以减少划伤。SP的工艺参数进行了0.5毫米的强度,这是用铸钢球直径0.6毫米,和治疗*收养了1分钟,5分钟、10分钟、20分钟,分别。

未经处理的微观结构形态和SP样本HNO蚀刻在一个3%₃+ 97%的酒精溶液,紧随其后的是光学显微镜(奥林巴斯,GX71)表征。表面喷丸加工前后和原始的散射电子衍射(EBSD)结果样例观察,扫描电子显微镜(FESEM,地产- 7800 f)。喷丸样品的不同深度微观结构研究了透射电子显微镜(TEM,杰姆- 2100 f操作在200千伏)。喷丸加工样品的物相组成和微晶尺寸测量研究了x射线衍射(XRD、SmartLab-9) CuKα辐射,拥有45 kV的工作电压和电流200毫安。34的电化学行为crmo4前后钢SP评估了电化学工作站(CH乐器,chi - 660 e),和两个评估与三电极系统(即执行。34岁的crmo4钢、甘汞电极和Pt作为工作电极,参比电极和对电极,分别地。)。为了更好地模拟实际工作环境的34 crmo4钢在油井下,电解液成分组成的4710 mg / L氯化钠,780 mg / L氯化钾,33850 mg / L CaCl₂和33600 mg / L MgCl₂是类似于钻井液(22]。

3所示。结果与讨论

3.1。微观结构分析

34 crmo4钢的微观结构研究了矩阵对,可以观察到图1,介绍了对其形象的34 crmo4钢。在图1(一),晶界与三联点由一个红色箭头标记。此外,粒径在微米尺度,和细碳化物粒子分布的矩阵。在图1 (b)EBSD反极图(IPF)映射表示代表好和均匀的回火马氏体结构。颜色明显不同晶体的方向。

图2展示了光学显微镜(OM)所有的横断面标本。这是典型的细回火马氏体结构的图片(a)组织均匀。所有的变形层的锤头标本在顶层清晰可见,应变层的深度,它慢慢地随喷丸时间的延长,从80年开始μm - 150μ在mircoscale红色箭头方向。

表面和横截面层通过SP的形态进行了研究。图3表明,SP表面粗糙多5分钟和20分钟比未经处理的表面;可以看出,表面由许多缺陷与宽松的层状结构和小裂缝下更大的放大。另一方面,垂直平面(横截面)有很大的裂缝,长度是大约几十微米和深度从10到30微米。表面状况包括粗糙度和裂缝,对材料性能有显著影响,尤其是耐腐蚀。

图4说明了未经处理的XRD资料表现出没有相变和SP样本,结晶而独特的α铁相(PCPDF # 65 - 4899) (23]。然而,随着喷丸时间增加到20分钟,全宽半极大(应用)的峰值逐渐增加,这是由于在喷砂过程中晶粒细化。表面的平均粒径layer-calculated根据谢瑞公式的XRD数据约为1分钟~ 87.2 nm, ~ 55.3 nm 5分钟,10分钟~ 33.8海里,并为20分钟~ 32.2 nm的锤头标本,分别。然而,未经处理的样品的晶粒尺寸是大约一微米。

图5介绍了TEM结果:(a)展示了一个典型的淬火和回火马氏体结构34 crmo4钢。很显然,一系列的金属丝网并行排列。板条的平均宽度是200 ~ 500纳米,长度是1.5 ~ 2.5μm。图5 (b)显示了TEM显微图的深度10μm×20分钟喷砂,这表明回火马氏体板条已经消失了。(c, d) SADPs了(a)和(b)地区,分别。(d)的环状模式表明,马氏体相随机取向。图5 (e)是暗场图像对应马氏体相的衍射方向,这表明平均晶粒尺寸~ 30 nm(图5 (f)),这是与收到的XRD结果相同。

3.2。腐蚀性能

potentiodynamic极化曲线的34 crmo4喷丸加工前后钢在模拟液体环境中测量油井。曲线不为1分钟可改变它们喷丸与未经处理的样品相比。重要的是要强调一把锋利的斜率(即阳极曲线展品。,passivation zone) when the peening time is over 5 min, as can be observed in Figure6。阳极曲线的斜率可能由于SP过程中产生的晶粒细化。图7显示的结果potentiodynamic极化测试样品。可以看出,腐蚀电位单调下降与喷丸时间的延长,腐蚀电流密度逐渐增加。锤头表面粗糙,有很多缺陷,导致电解液容易聚集在角落里,沿着裂缝,见图3。

数据8和9表明,电容弧半径(极化电阻)明显降低通过周效磺胺-乙胺嘧啶的治疗。仔细关注发现电容弧半径增加,然后慢慢减少。尼奎斯特的小照片插入情节,很明显,锤头的示例显示了一个小电容弧和未经处理的样品并不在高频范围内。结果也支持的波特图与频率和相角之间的关系,表明时间常数退出两个值。

根据电化学实验数据如图10,两个等效电路模拟。电路如图10 ()是未经处理的样品的代表,和图10 (b)属于SP。EIS的等效电路的仿真数据曲线,其中,包含溶液电阻(Rs),电双层(C)的电容,电阻的双层(Rct)和电力电容的自然氧化膜(Q,固定相元素)与相应的弥散系数(Nn),以及钝化膜的电阻(Rf);这些展示在表2。

基于实验结果,耐腐蚀的原因和机理的影响34 crmo4钢喷丸加工已经证明。首先,耐腐蚀性能的明显例证未经处理和锤头样品已经改变了。耐腐蚀特性降低了钢丸与高能冲击试样表面,带来无数的缺陷包括裂缝、粗糙度、松散片状结构,和其他人可以看到在图5。这些缺陷使腐蚀液体容易传播矩阵内部,导致材料氧化。产生的纳米结构被锤击和XRD数据计算,使金属表面的钝化膜出现。耐腐蚀性能是衡量potentiodynamic扫描;说明,钝化区明显增加喷砂时间,这是由于纳米晶体的层的金属表面均匀。另一方面,锤头的等效电路的EIS示例显示了钝化膜的性质。结果表明,钝化膜粗糙,可以证明了noncapacitance弥散系数表达。此外,需要注意的是,锤头的Rf值样本被发现第一次从216年312.1Ω·厘米上升²然后下降到20.86Ω·厘米²;此信息在表展出2。来分析和解释这个现象,它可以表明,钝化膜一开始并不紧凑,统一在喷丸时间短。因此,增加喷丸时间10分钟或更长时间驱动钝化膜破裂,与最终结果恶化的耐蚀性。因此,它只能建议耐腐蚀可以改善SP时时间是合适的。

4所示。结论

34 crmo4钢铁表面被SP修改。以下使用XRD衍射和透射电镜观察和结果证实nanolayer的存在,与粒度的顶部表面大约10纳米。

SP显示表面的许多缺陷,包括粗糙度和裂缝,导致一个明显的减少34 crmo4钢的耐蚀性。锤头材料的电化学行为,结果表明,显示更大的钝化与未经处理的材料的晶体细化。可以看出最初钝化膜阻力的增加,然后降低等效电路拟合结果,这是由于开始的钝化膜不紧凑或统一在喷丸时间短。然而,电影骨折发生后增加喷砂时间。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是财务支持的研究生院科技创新项目重庆科技大学(YKJCX1620205, YKJCX1620209 YKJCX1620203, CK2015Z12),重庆的基础研究和前沿技术研究项目(cstc2015jcyjA50004 cstc2016jcyjA0232)和重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ1501303 KJ1709202)。

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