本发明涉及材料加工，具体涉及一种三氧化二铬修饰低合金钢及其制备方法与应用。
背景技术：
1、低合金钢是一种工业上常用的具有良好力学性能的工程材料，在中性环境中具有良好的耐蚀性能，可以应用于化工、石化等领域，但其在一定浓度碱性环境中的耐碱腐蚀性能较差，而作为化工设备材料时，其带来的设备腐蚀不仅影响生产进程，产生高额的维修费用，甚至会引发安全事故威胁人身安全。
2、通常提高低合金钢材料耐蚀性能的方法主要包括加入合金元素、电镀耐蚀层、电化学保护等。cn 105316593a公开了一种耐腐蚀的低合金钢，其化学成分及其质量百分比为：碳：0.2-0.30％；硅：0.08-0.15％；锰：0.45-0.65％；磷：≤0.03％；硫：≤0.015％；铬：1.4-1.9％；镍：1.28-1.40％，钛0.005％-0.05％，其余为铁和不可避免的杂质组成。该发明通过加入合金元素得到具有优良的热处理性能和耐腐蚀性能的低合金钢，但可能会在提高材料耐蚀性的同时影响材料的力学性能，且需从原材料进行严格控制，过程较为复杂。
3、cn 113122109a公开了一种海上风电螺栓杆用高硬度耐腐蚀合金钢及其制备方法。该发明中的聚苯胺复合物可以释放出阴离子，与金属中的基体进行螯合，生成钝化膜，形成阳极保护，而且在腐蚀基体时，可以将阴极反应转移到聚苯胺复合物表面，发生阴极抑制，同时，加入磁性氧化石墨烯，提高了聚苯胺的电化学活性，提高了在ph较高时的防腐性能。但该发明采用的电化学保护法对设备要求较高且价格昂贵，不适用于大规模工业化生产。
4、电镀耐蚀层是一种工艺简单且可以大幅提高材料耐蚀性能的方法。cn107740802a公开了一种十字槽盘头自攻螺钉，包括：螺钉体、位于所述螺钉体一端的盘头，所述螺钉体是采用高强度低合金钢制成的，且在所述高强度低合金钢螺钉体的外表面镀有耐腐蚀锌合金层。但在一定浓度强碱性环境中，镀层仍会产生一定缺陷，逐渐降低材料的耐蚀性能。
5、针对现有技术的不足，需要提供一种耐强碱腐蚀性强、制备工艺简单且成本低的镀层修饰低合金钢。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种三氧化二铬修饰低合金钢及其制备方法与应用，以常见的低合金钢作为基材，利用电镀铬处理及后续表面氧化处理的方法，显著提高了低合金钢的耐强碱腐蚀性能，制备工艺简单且应用前景广阔。
2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
3、第一方面，本发明提供了一种三氧化二铬修饰低合金钢，所述三氧化二铬修饰低合金钢包括低合金钢以及包覆于所述低合金钢表面的三氧化二铬氧化层。
4、本发明提供的三氧化二铬修饰低合金钢，在一定浓度的碱性环境下其表面包覆的三氧化二铬氧化层会进一步与低合金钢的基体腐蚀产物三氧化二铁结合，形成更耐碱腐蚀的铁铬尖晶石，同时镀层缺陷也会通过形成的铁铬尖晶石而实现自修复，进而降低了其对后续耐蚀层性能的影响；经测试，在50℃、20％的naoh溶液中的腐蚀速率低至0.308mm/y，具有较高的耐强碱腐蚀性能。
5、优选地，所述低合金钢的牌号包括q295、q345、q390、q420或q490中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括q295与q345的组合，q390、q420与q49的组合，或q295、q345、q390、q420与q49的组合。
6、第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述的三氧化二铬修饰低合金钢的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
7、(1)低合金钢依次经表面预处理与镀铬处理，得到镀铬低合金钢；
8、(2)步骤(1)所得镀铬低合金钢经氧化处理，得到所述三氧化二铬修饰低合金钢。
9、本发明提供的制备方法，通过将低合金钢进行镀铬处理与氧化处理，在低合金钢的表面会生成三氧化二铬的镀层产物，在一定浓度的碱性环境中，三氧化二铬可以提高低合金钢的耐蚀性能，同时，该镀层产物会进一步与基体腐蚀产物三氧化二铁结合形成更耐碱腐蚀的铁铬尖晶石，进一步提高耐蚀性能。
10、优选地，步骤(1)所述表面预处理包括依次进行的打磨处理、除油处理以及酸洗活化处理。
11、所述打磨处理可以除去低合金钢表面的氧化皮，平整材料表面，进一步提升电镀质量。
12、优选地，所述打磨处理、除油处理以及酸洗活化处理中相邻两个步骤间还包括水洗处理的步骤。
13、优选地，所述水洗处理包括依次进行的5-10℃流动水清洗1-2min与40-60℃水清洗1-2min。
14、所述流动水的温度为5-10℃，例如可以是5℃、6℃、8℃、9℃或10℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
15、所述流动水清洗的时间为1-2min，例如可以是1min、1.2min、1.5min、1.8min或2min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
16、所述水的温度为40-60℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
17、所述水清洗的时间为1-2min，例如可以是1min、1.2min、1.5min、1.8min或2min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
18、优选地，所述打磨处理至低合金钢的表面粗糙度≤0.5μm，例如可以是0.5μm、0.45μm、0.4μm、0.3μm或0.2μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
19、优选地，所述除油处理包括超声波除油与电解除油。
20、优选地，所述超声波除油所用洗液包括有机溶剂。
21、优选地，所述有机溶剂包括丙酮和/或乙醇。
22、优选地，所述超声波除油的时间为2-5min，例如可以是2min、2.5min、3min、4min或5min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
23、优选地，所述超声波除油在室温下进行。
24、优选地，所述电解除油所用洗液包括氢氧化钾溶液。
25、优选地，所述氢氧化钾溶液的浓度为10-30g/l，例如可以是10g/l、15g/l、20g/l、25g/l或30g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
26、优选地，所述氢氧化钾溶液的温度为50-60℃，例如可以是50℃、52℃、55℃、58℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
27、优选地，所述电解除油的电流密度为5-10a/dm2，例如可以是5a/dm2、6a/dm2、7a/dm2、8a/dm2、9a/dm2或10a/dm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
28、优选地，所述酸洗活化处理所用洗液包括硫酸水溶液。
29、优选地，所述硫酸水溶液的浓度为10-20g/l，例如可以是10g/l、12g/l、15g/l、18g/l或20g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
30、优选地，所述硫酸水溶液的温度为20-30℃，例如可以是20℃、22℃、25℃、28℃或30℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
31、优选地，所述酸洗活化处理的电流密度为5-10a/dm2，例如可以是5a/dm2、6a/dm2、7a/dm2、8a/dm2、9a/dm2或10a/dm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
32、优选地，所述酸洗活化处理的时间为1-2min，例如可以是1min、1.2min、1.5min、1.8min或2min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
33、优选地，步骤(1)所述镀铬处理的方式包括电镀。
34、优选地，以质量浓度计，步骤(1)所述镀铬处理所用镀铬液的组分包括：硫酸铬160-180g/l，硫酸钠100-150g/l，硼酸35-55g/l，草酸60-90g/l，十二烷基硫酸钠0.03-0.05g/l。
35、电镀铬时表面预处理后的低合金钢作为阴极，而阳极选择不溶性阳极，通常选择铅或铅合金作为电镀铬的阳极；镀铬液中硫酸铬为铬离子的主要来源，铬离子在低合金钢表面还原沉积形成金属铬层，硫酸钠提高溶液的导电性，硼酸、草酸稳定溶液的ph值，十二烷基硫酸钠用作湿润剂，减少镀铬层表面出现的针孔。
36、所述硫酸铬的质量浓度为160-180g/l，例如可以是160g/l、170g/l或180g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
37、所述硫酸钠的质量浓度为100-150g/l，例如可以是100g/l、130g/l或150g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
38、所述硼酸的质量浓度为35-55g/l，例如可以是35g/l、45g/l或55g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
39、所述草酸的质量浓度为60-90g/l，例如可以是60g/l、80g/l或90g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
40、所述十二烷基硫酸钠的质量浓度为0.03-0.05g/l，例如可以是0.03g/l、0.04g/l或0.05g/l，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
41、优选地，所述镀铬液的ph值为2-3.5，例如可以是2、3或3.5，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
42、所述镀铬液的ph值未达到目标值时，通过加入强酸进行调节。
43、优选地，所述电镀的温度为40-60℃，例如可以是40℃、45℃、50℃、55℃或60℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
44、优选地，所述电镀的电流密度为15-20a/dm2，例如可以是15a/dm2、16a/dm2、17a/dm2、18a/dm2、19a/dm2或20a/dm2，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
45、优选地，所述电镀的时间为15-45min，例如可以是15min、20min、30min、40min或45min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
46、优选地，步骤(2)所述氧化处理在氧化性气氛中进行。
47、优选地，所述氧化性气氛的流量为400-1000ml/min，例如可以是400ml/min、600ml/min、800ml/min、900ml/min或1000ml/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为800-1000ml/min。
48、优选地，所述氧化性气氛为氧气。
49、优选地，步骤(2)所述氧化处理的温度为800-1200℃，例如可以是800℃、900℃、1000℃、1100℃或1200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为1000-1200℃。
50、优选地，步骤(2)所述氧化处理的时间为120-480min，例如可以是120min、240min、360min、400min或480min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为360-480min。
51、所述氧化处理的温度与时间对耐蚀性能的影响较大，适宜的氧化处理温度和时间会使得表明镀层充分氧化，形成具有良好耐蚀性的表面氧化物，显著提升材料的耐蚀性能。
52、优选地，步骤(2)所述氧化处理后进行空冷处理。
53、所述氧化处理是指在富氧条件下，对镀铬低合金钢进行热处理，热处理后镀铬低合金钢的表面会生成三氧化二铬，在一定浓度的碱性环境中，三氧化二铬可以提高低合金钢的耐蚀性能；另外，碱性溶液经极少数的镀层缺陷渗透与基材接触，所产生的铁系腐蚀产物会与表面三氧化二铬在碱性条件下复合，形成尖晶石形态的fecr2o4腐蚀产物，阻碍进一步腐蚀，年腐蚀速率显著降低，扩大了低合金钢耐碱腐蚀浓度的限值，提高了低合金钢的耐碱腐蚀性能。
54、作为本发明第二方面所述的制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
55、(1)低合金钢经打磨处理至表面粗糙度≤0.5μm，然后采用有机溶剂在室温下超声波除油2-5min、采用50-60℃、浓度10-30g/l的氢氧化钾溶液在电流密度5-10a/dm2下电解除油，然后采用20-30℃、浓度10-20g/l的硫酸水溶液在电流密度5-10a/dm2下酸洗活化处理1-2min，在40-60℃、电流密度15-20a/dm2下电镀铬处理15-45min，得到镀铬低合金钢；
56、所述打磨处理、除油处理以及酸洗活化处理中相邻两个步骤间还包括水洗处理的步骤；以质量浓度计，所述水洗处理包括依次进行的5-10℃流动水清洗1-2min与40-60℃水清洗1-2min；所述镀铬处理所用镀铬液的组分包括：硫酸铬160-180g/l，硫酸钠100-150g/l，硼酸35-55g/l，草酸60-90g/l，十二烷基硫酸钠0.03-0.05g/l；所述镀铬液的ph值为2-3.5；
57、(2)步骤(1)所得镀铬低合金钢在流量400-1000ml/min的氧化性气氛中进行800-1200℃氧化处理120-480min，然后空冷处理得到所述三氧化二铬修饰低合金钢。
58、第三方面，本发明提供了一种如第一方面所述的三氧化二铬修饰低合金钢的应用，所述三氧化二铬修饰低合金钢用于碱性腐蚀环境中的设备及金属配件制备。
59、所述碱性腐蚀环境为中、低浓度的碱性腐蚀环境。
60、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
61、本发明提供的三氧化二铬修饰低合金钢，具有较耐蚀性能的三氧化二铬氧化层，该氧化层在碱性环境下会进一步与基体腐蚀产物三氧化二铁结合形成更耐碱腐蚀的铁铬尖晶石，进一步提高了耐蚀性能，在50℃、20％的naoh溶液中的腐蚀速率低至0.308mm/y；同时镀层缺陷也会通过形成的铁铬尖晶石而实现自修复，生成新的修复层，进而降低了其对后续耐蚀层性能的影响。