石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层及其制备方法
【专利摘要】本发明的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层及其制备方法，属于石油钻杆内孔壁改性的【技术领域】。本发明的制备方法，以电净、活化为前处理工艺，采用快镀镍液首先在石油钻杆内孔壁表面镀上一层镍镀层，再采用电刷镀纳米复合镀液进行电刷镀纳米金属陶瓷复合镀层，在石油钻杆试样表面制备组织致密、性能优良的表面复合镀层。本发明的具有工艺稳定、镀层硬度高、耐磨及耐蚀性好等优点，对石油钻杆的开发应用起到重要的促进作用。
【专利说明】石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电沉积复合强化【技术领域】，具体涉及一种石油钻杆内壁改性【技术领域】，通过在石油钻杆 内孔壁上制备纳米金属陶瓷电沉积复合镀层以提高石油钻杆内孔壁的耐磨性和耐腐蚀性。
【背景技术】
[0002]石油钻杆是石油勘探中必须使用的结构材料，随着石油勘探与开采的需要，对石油钻杆的耐磨耐腐蚀等性能提出了更高的要求。由于传统石油钻杆的耐磨性和耐腐蚀性较差，限制了其应用。为了提高传统石油钻杆的耐磨性和耐腐蚀性，必须对其进行表面改性。改善其耐磨耐腐蚀性，减少其磨损腐蚀的最有效、最简便的方法是对其表面进行涂层处理，利用涂层在基体和外界环境之间形成屏障，减少石油钻杆的磨损和腐蚀。为了确保涂层具有良好的保护作用，要求涂层必须均匀致密且与基体结合良好。目前，国内外普遍采用的制备涂层的方法主要包括电刷镀、化学镀和气相沉积等。
[0003]迄今为止，对石油钻杆内孔壁进行处理以达到耐磨耐腐蚀等特性的方法还未见于报道。通过电化学进行处理的方法，即电刷镀，可在石油钻杆的基体内孔壁表面镀一层所需性能的金属或合金。随着纳米材料科学的发展，人们对纳米微粒独特的物理及化学性质的认识不断深化。将纳米材料加入到镀层中形成纳米复合镀层，由于纳米材料的优良性能，必将复合镀层的硬度、耐磨性和耐腐蚀性产生重要的影响。目前，石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层及其制备方法技术还未见报道。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是提供一种石油钻杆内孔壁耐磨耐腐蚀纳米复合镀层的制备方法，先在石油钻杆内孔壁上用电刷镀的方法镀上致密的镍作打底层、再用电刷镀方法镀一层含纳米金属陶瓷颗粒的复合镀层，以提高石油钻杆的硬度、耐磨性及腐蚀性等性能，使其得到更广泛的应用。
[0005]为达到上述目的，本发明的技术方案为:
[0006]一种石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层，其特征是，采用电刷镀的方法，在所述石油钻杆内孔壁上用快镍镀液镀上镍为打底层，在所述打底层上再镀一层含纳米金属陶瓷颗粒的复合镀层。
[0007]—种石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，以电净、活化为前处理工艺，然后采用以硫酸镍为主盐的镀液进行电刷镀，在石油钻杆基体内孔壁上形成一层致密的镍层作为打底层，以确保石油钻杆基体不与电镀溶液发生反应以及电偶腐蚀；最后在所述打底层上进行电刷镀纳米金属陶瓷复合镀；具体工艺如下:
[0008](I)电净:将石油钻杆置于加热到20~50°C的电净溶液中浸泡，接通电源清洗，除去石油钻杆表面油污杂质金属；[0009](2)活化:室温下将电净后的石油钻杆置于用硫酸(H2S04)、氯化钠(NaCl)和水配成的活化溶液中浸泡，除去表面杂质、氧化物和活化表面组织有利于电刷镀的进行；
[0010](3)电刷镀打底层的制备:将醋酸铵(CH3C00NH4)、硫酸镍(NiSO4 ? 6H20)、氯化镍(NiCl2)、草酸铵((NH4)2C2O4X柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3X氨水(NH3 ? H20)、十二烷基硫酸钠(C12H25SO4NaX糖精(C7H5O3NS)和水配制成快镍镀液，将快镍镀液置于恒温水浴锅中加热到400C ;石油钻杆接电源的负极，选择电刷镀电压10V，绕石油钻杆旋转的线速度为6~12m/min的参数进行电刷镀，电刷镀时间为60秒；使溶液充分浸湿石油钻杆表面后接通电源进行电刷镀，在石油钻杆表面镀上一层致密的亮白色的镍层；
[0011](4)纳米金属陶瓷电沉积复合镀:将醋酸铵(CH3COONH4)、硫酸镍(NiSO4 ? 6H20)、氯化镍(NiCl2)、草酸铵((NH4)2C2O4X柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3X氨水(NH3 ? H20)、十二烷基硫酸钠(C12H25SO4NaX糖精(C7H5O3NS)、水和粒径为50nm纳米纳米金属陶瓷颗粒配成电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液，混合均匀后，将经过快镍镀的石油钻杆通过电镀笔与电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液充分接触浸湿，接通电源进行纳米金属陶瓷电沉积复合镀。
[0012]所述电净溶液，用氢氧化钠(NaOH)、磷酸钠(Na3PO4)、硫酸钠(Na2SO4)、碳酸钠(Na2CO3)与氯化钠(NaCl)和水配制；所述氢氧化钠(NaOH)的浓度为15.0~40.0g/L ;所述磷酸钠(Na3PO4)的浓度为25.0~80.0g/L ;所述硫酸钠(Na2SO4)的浓度为18.0~48.0g/L ；所述碳酸钠(Na2CO3)的浓度为15.0~40.0g/L ;所述氯化钠(NaCl)的浓度为1.0~20.0g/L0
[0013]所述活化溶液用硫酸(H2S04)、氯化钠(NaCl)和水配制；所述硫酸(H2SO4)的浓度为
10.0~30.0g/L ;所述氯化钠(NaCl)的浓度为100.0~200.0g/L。
[0014]所述快镍镀液用醋酸铵(CH3COONH4)、硫酸镍(NiSO4 ? 6H20)、氯化镍(NiCl2)、草酸铵((NH4)2C2O4X 柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3X 氨水(NH3 ? H20)、十二烷基硫酸钠(C12H25SO4NaX糖精(C7H5O3NS)和水配制；`所述醋酸铵(CH3COONH4)的浓度为8.0~50.0g/L ;所述硫酸镍(NiSO4 ? 6H20)的浓度为120.0~350.0g/L ;所述氯化镍(NiCl2)的浓度为15.0~90g/L ;所述草酸铵((NH4)2C2O4)的浓度为0~1.0g/L ;所述柠檬酸铵(C6H5O7(MM)3)的浓度为
15.0~100.0g/L ;所述氨水(NH3 ? H2O)的浓度为50.0~160.0g/L ;所述十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na)的浓度为0~1.0g/L ;所述糖精(C7H5O3NS)的浓度为0~1.0g/L。
[0015]所述电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液用醋酸铵(CH3C00NH4)、硫酸镍(NiSO4 ? 6H20)、氯化镍(NiCl2)、草酸铵((NH4)2C2O4X柠檬酸铵(C6H5O7(NH4)3X氨水(NH3 ? H20)、十二烷基硫酸钠(C12H25S04Na)、糖精(C7H503NS)、纳米金属陶瓷和水配制；所述醋酸铵(CH3COONH4)的浓度为8.0~50.0g/L ;所述硫酸镍(NiSO4 ? 6H20)的浓度为120.0~350.0g/L ;所述氯化镍(NiCl2)的浓度为15.0~90.0g/L ;所述草酸铵((NH4)2C2O4)的浓度为0~1.0g/L ;所述柠檬酸铵(C6H5O7(MM)3)的浓度为15.0~100.0g/L ;所述氨水(NH3 ? H2O)的浓度为50.0~160.0g/L ;所述十二烷基硫酸钠(C12H25SO4Na)的浓度为0~1.0g/L ;所述糖精(C7H5O3NS)的浓度为0~1.0g/L ;所述纳米金属陶瓷是碳化硅(SiC)和/或碳化钛(TiC)，纳米金属陶瓷颗粒的浓度为5.0~25.0g/L。
[0016]所述纳米金属陶瓷电沉积复合镀工艺参数为:纳米金属陶瓷电沉积复合镀电压为6~12V，绕石油钻杆旋转的线速度为6~12m/min，纳米金属陶瓷电沉积复合镀的温度为20~50°C，时间为6分钟。[0017]纳米金属陶瓷碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)颗粒可以以任意质量比混合。
[0018]优选的纳米金属陶瓷碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)颗粒的质量比为1:1。
[0019]优选的电刷镀纳米金属陶瓷复合镀条件为:采用超声震荡伴随机械搅拌连续均匀混合2小时，制成电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液。
[0020]与已有技术相比，本发明具有以下技术优点:
[0021]1、采用电刷镀镀镍层作为打底层，保证石油钻杆基体不与后续过程中的电镀溶液发生反应以及电偶腐蚀；
[0022]2、加入纳米金属陶瓷颗粒提高了石油钻杆内孔壁复合镀层的硬度、耐磨和耐蚀性；
[0023]3、采用连续两次进行电刷镀的表面改性方法，使镀层与基体界面结合强度更高，耐磨、耐蚀性更好的镀层。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1实施例1石油钻杆电沉积纳米碳化硅复合镀层的扫描电镜照片。
[0025]图2实施例2石油钻杆电沉积纳米碳化钛复合镀层的扫描电镜照片。
[0026]图3实施例3石油钻杆电沉积纳米碳化硅与碳化钛混合的复合镀层的扫描电镜照片。
【具体实施方式】
[0027]下面通过【具体实施方式】来说明本发明，但并不限于此。
[0028]溶液的配置与工艺参数的优化
[0029]电净、活化和快镍镀液的配制如下表1~3所示:
[0030]表1电净溶液的配制
【权利要求】
1.一种石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层，其特征是，采用电刷镀的方法，在所述石油钻杆内孔壁上用快镍镀液镀上一层镍为打底层，在所述打底层上再镀一层含纳米金属陶瓷颗粒的复合镀层。
2.一种石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，以电净、活化为前处理工艺，然后采用以硫酸镍为主盐的镀液进行电刷镀，在石油钻杆基体内孔壁上形成一层致密的镍层作为打底层；最后在所述打底层上进行电刷镀纳米金属陶瓷复合镀；具体工艺如下: (1)电净:将石油钻杆置于加热后的电净溶液中浸泡，接通电源清洗； (2)活化:室温下将电净后的石油钻杆置于用硫酸、氯化钠和水配成的活化溶液中浸泡； (3)打底层的制备:醋酸铵、硫酸镍、氯化镍、草酸铵、柠檬酸铵、氨水、十二烷基硫酸钠、糖精和水配制成快镍镀液，将快镍镀液加热到40°C;石油钻杆接电源的负极，选择电压10V，转速6~12m/min的参数进行电刷镀；使溶液充分浸湿石油钻杆表面后接通电源进行电刷镀，电刷镀时间为60秒在石油钻杆表面镀上一层镍层； (4)纳米金属陶瓷电沉积复合镀:将醋酸铵、硫酸镍、氯化镍、草酸铵、柠檬酸铵、氨水、十二烷基硫酸钠、糖精、水和纳米金属陶瓷颗粒配成电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液，混合均匀后，将经过快镍镀的石油钻杆通过电镀笔与电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液充分接触浸湿，接通电源进行纳米金属陶瓷电沉积复合镀。
3.根据权利要求2所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述电净溶液，用氢氧化钠、磷酸钠、硫酸钠、碳酸钠与氯化钠和水配制；所述氢氧化钠的浓度为15.0~40.0g/L ;所述磷酸钠的浓度为25.0~80.0g/L ;所述硫酸钠的浓度为18.0~48.0g/L ;所述碳酸钠的浓度为15.0~40.0g/L ;所述氯化钠的浓度为1.0~20.0g/L。
4.根据权利要求2所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述活化溶液，用硫酸、氯化钠和水配制；所述硫酸的浓度为10.0~30.0g/L ;所述氯化钠的浓度为100.0~200.0g/L。
5.根据权利要求2所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述快镍镀液，用醋酸铵、硫酸镍、氯化镍、草酸铵、柠檬酸铵、氨水、十二烷基硫酸钠、糖精和水配制；所述醋酸铵的浓度为8.0~50.0g/L ;所述硫酸镍的浓度为120.0~350.0g/L ;所述氯化镍的浓度为15.0~90g/L ;所述草酸铵的浓度为0~1.0g/L ;所述柠檬酸铵的浓度为15.0~100.0g/L ;所述氨水的浓度为50.0~160.0g/L ;所述十二烷基硫酸钠的浓度为0~1.0g/L ;所述糖精的浓度为0~1.0g/L。
6.根据权利要求2所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液，用醋酸铵、硫酸镍、氯化镍、草酸铵、柠檬酸铵、氨水、十二烷基硫酸钠、糖精、纳米金属陶瓷和水配制；所述醋酸铵的浓度为8.0~.50.0g/L ;所述硫酸镍的浓度为120.0~350.0g/L ;所述氯化镍的浓度为15.0~90.0g/L ；所述草酸铵的浓度为0~1.0g/L ;所述柠檬酸铵的浓度为15.0~100.0g/L ;所述氨水的浓度为50.0~160.0g/L ;所述十二烷基硫酸钠的浓度为0~1.0g/L ;所述糖精的浓度为.0~1.0g/L ;所述纳米金属陶瓷颗粒,是碳化娃和/或碳化钛颗粒，纳米金属陶瓷的浓度为.5.0 ~25.0g/L。
7.根据权利要求2所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述纳米金属陶瓷电沉积复合镀参数为:纳米金属陶瓷电沉积复合镀电压为6~12V，绕石油钻杆旋转的线速度为6~12m/min，纳米金属陶瓷电沉积复合镀的温度为20~50°C，时间为6分钟。
8.根据权利要求2所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，在电沉积复合镀过程中，采用超声震荡伴随机械搅拌方式对电刷镀纳米金属陶瓷复合镀液进行均匀混合2小时。
9.根据权利要求2~8任一权利要求所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述的纳米金属陶瓷碳化硅和碳化钛颗粒以任意比混合。
10.根据权利要求9所述的石油钻杆内孔壁纳米金属陶瓷电沉积复合镀层的制备方法，其特征是，所述的纳米金属陶瓷碳化硅和碳化钛颗粒的质量比为1:1 。
【文档编号】C25D15/00GK103643266SQ201310699571
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】赵玉谦, 马成龙, 石海涛, 张鹏, 高成龙, 栾公峰, 刘畅, 刘国军 申请人:吉林大学, 松原市江南机械制造有限公司