自生长碳质薄膜提高深海采矿系统零部件防腐耐磨的方法与流程

本发明涉及深海采矿部件表面防腐处理技术领域，特别是指一种自生长碳质薄膜提高深海采矿系统零部件防腐耐磨的方法。

背景技术：

深海蕴藏着丰富的锰结核、富钴结壳、热液硫化物等金属矿产资源，都是人类未来发展必不可少的战略性资源。在陆地资源已被充分利用的今天，人类面临着解决人口膨胀与生存空间有限、陆地资源枯竭与人类刚性需求增长、生态环境恶化与人类不断发展三大矛盾的挑战，深海资源的开发与开采前景愈发显著。近些年，随着科学技术的进步，海洋区域经济发展迅速，深海采矿已成趋势。然而，在海洋这种极端恶劣环境下，海洋工程各零件的腐蚀问题已经成为重中之重。海洋工程中装备零件如连接螺栓、活塞杆、行走传动机构和推进装置等，在海洋环境下采用常规的防护措施，往往仅数个月便产生严重的腐蚀和磨损。因此，加强零件表面的耐腐蚀、耐磨性能成为急需解决的问题。

碳质薄膜具有非常稳定的结构，c-c键的连接可以看作是柔性连接，在受到外力作用时，碳原子面通过弯曲变形来适应外力，不必重新排布碳原子，从而保证结构的稳定性。并且其具有良好的化学惰性，其稳定的sp²杂化结构，能够将基体金属与腐蚀介质进行物理阻隔层，阻止介质渗透扩散。除此之外，碳质薄膜具有优良的综合力学性能，可以减小基体材料表面的摩擦系数，这有助于解决基体表面容易被磨损的问题。海洋工程装备中的循环运动部件长期工作会引起较大的磨损，如油缸活塞杆、行走传动轴等，这些运动部件对精度要求较高，若磨损严重可能导致海底集矿机采集行走轨迹偏移，降低采集率；更甚者导致扬矿管壁破裂，采矿系统整体瘫痪。海洋环境中，除磨损造成的装备损坏外，还受海流、海浪引起的循环液的剪切力及突发事件引起的强冲击载荷。这些因素均会影响装备的耐磨、抗压性能。若装备零部件磨损后，其在海洋环境中将会受海水、微生物的腐蚀而加快磨损，造成不可避免的损失。因此，利用碳质薄膜的独特性质，将其生长在零部件表面，对减缓受损、腐蚀情况，延长使用寿命有着重大的意义。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种自生长碳质薄膜提高深海采矿系统零部件防腐耐磨的方法。

该方法具体步骤如下：

(1)将零件基体放置在管式炉的反应室内；

(2)向步骤(1)中管式炉的反应室中通入惰性气体和还原性气体，以保证反应室内为无氧环境；同时加热预热零件基体一定时间，以优化基体表面，利于后续成膜；

(3)在管式炉的反应室内通入成膜剂-含碳化合物，同时连续通入惰性气体和还原性气体，反应一段时间，使碳原子渗入基体内部或在基体表面吸附；

(4)反应结束后，继续通入惰性气体，直至零件基体冷却，在冷却过程中碳原子析出或在基体表面结晶，生成碳质薄膜。

其中，步骤(1)中的零件基体材料为铁、铜、镍或者铁镍合金、铬镍合金、铜镍合金b10、铝合金、钛合金、907、921、922、923低合金钢、316l钢、45钢、q235、e690中的一种。在高温条件下，具备高溶碳能力的金属基体，成膜剂裂解产生的碳原子渗入金属基体内；具备低溶碳量的金属基体，成膜剂裂解产生的碳原子将吸附在金属基体表面。

步骤(2)中惰性气体为氩气，惰性气体流量为200～300ml/min；还原性气体为氢气，还原性气体流量为50～100ml/min。

步骤(2)中以20～30℃/min的升温速度加热到800～1100℃，保温1～3h对零件基体进行加热预热处理。

步骤(3)中反应时间为10～15min，反应温度为800～1100℃。在高温条件下，成膜剂裂解产生的碳原子渗入具备高溶碳能力的金属基体内；或碳原子在低溶碳的金属基体表面吸附。

步骤(3)中成膜剂-含碳化合物为有机气体、液体或固体；其中，有机气体为气相烷烃、气相烯烃中的一种或几种；液体为乙醇、苯、甲苯、丙酮、正己烷中的一种；固体为聚乙二醇6000、蔗糖、樟脑、聚苯乙烯中的一种；其中有机气体使用氩气以10～60ml/min的流量鼓入管式炉反应室中；液体通过毛细管以20～30μl/min流量注入管式炉反应室；固体涂覆在零件基体表面。

步骤(4)具体为：反应结束停止进给成膜剂-含碳化合物及氢气，并将零件基体快速移到低温区，关闭管式炉，保持氩气流量为200～300ml/min，降温速率为10～30℃/min，直至炉温冷却至300℃以下。冷却过程中渗入基体内过饱和碳在表面析出生成碳质薄膜，或吸附在基体表面的碳原子结晶生成碳质薄膜。

步骤(4)制得的零件基体表面的碳质薄膜厚度为1～5nm。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

该方法制得的薄膜能够提高系统零部件防腐、耐磨和润滑性能，延长使用寿命。在零部件表面生长碳质薄膜，以较强的附着力与零部件基材连接，即具有碳质物原有的耐高温、抗热震、导热好、弹性模量高、耐磨、化学惰性以及强度随温度升高而增加等性能，又具有极高的韧性、强度，同时热膨胀系数低，比强度和比模量高。碳质薄膜与零部件表面结合能力强，且表面耐磨性、防腐性、润滑性、疏水性增强。而且本发明提供的方法简单高效，抗腐蚀、耐磨性好，使用寿命长。

附图说明

图1为本发明的自生长碳质薄膜提高深海采矿系统零部件防腐耐磨的方法流程图；

图2(a)为本发明实施例中基体表面的扫描电镜图；(b)为本发明实施例中生长碳质薄膜后的扫描电镜图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种自生长碳质薄膜提高深海采矿系统零部件防腐耐磨的方法。

如图1所示，该方法具体步骤包括：

(1)将零件基体放置在管式炉的反应室内；

(2)向步骤(1)中管式炉的反应室中通入惰性气体和还原性气体，同时加热预热零件基体一定时间；

(3)在管式炉的反应室内通入成膜剂-含碳化合物，同时连续通入惰性气体和还原性气体，反应一段时间，使碳原子渗入基体内部或在基体表面吸附；

(4)反应结束后，继续通入惰性气体，直至零件基体冷却，在冷却过程中碳原子析出或在基体表面结晶，生成碳质薄膜。

下面结合具体实施例予以说明。

实施例1

油缸活塞杆在使用过程中，除了少数源于脆性断裂损坏外，大多数都是由于磨损或疲劳，或者局部发生应力腐蚀而不能继续使用。其中活塞杆的损坏主要发生在工件表面。因此，加强活塞杆表面的耐腐蚀、表面润滑性能减缓活塞杆表面磨损或疲劳成为急需解决的问题。

将活塞杆基体放置在管式炉的反应室内，在此反应室内以300ml/min流量通入氩气，50ml/min流量通入氢气，以保证反应室内为无氧环境；以20℃/min的升温速度将其加热到800℃进行预热，保温1h，用于优化基体表面，利于后续成膜；以有机气体甲烷为成膜剂，以20ml/min流量通入，反应时间为10min，碳原子在高温与基体形成固溶体，碳原子渗入基体内部。反应结束后，继续通氩气，将基体移至冷却区，以10℃/min速率降温，冷却过程中过饱和的碳在基体表面析出，形成一层致密的碳质薄膜，生长在基体表面，其厚度为1.4nm。利用碳质薄膜的耐磨性、防腐性、疏水性增强活塞杆表面的防腐耐磨性能，延长活塞杆使用寿命。其中，活塞杆基体表面的扫描电镜图如图2(a)所示，制得薄膜后的扫描电镜图如图2(b)所示。

实施例2

海洋工程装备中的行走机构是重要的执行部件，其中传动机构尤为重要。在深海底部凹凸不平、多海藻环境下，对行走机构的整体性能要求更高。行走机构易受海水的腐蚀及底部矿石的磨损，因为行走机构为传动部件，若长期受到腐蚀，可使采矿设备出现线路偏移的现象，尤其是齿轮这种加工成本高、精度要求高的部件更应做好防腐措施。

将基体放置在管式炉的反应室内，在此反应室内以200ml/min流量通入氩气，50ml/min流量通入氢气，以保证反应室内为无氧环境；以20℃/min的升温速度将基体加热到850℃进行预热，保温1.5h，用于优化基体表面，利于后续成膜；以液体乙醇为成膜剂，以20μl/min流量通入，反应时间为5min，碳原子在高温与基体形成固溶体，碳原子渗入基体内部。反应结束后，继续通氩气，将基体移至冷却区，以10℃/min速率降温，冷却过程中过饱和的碳在基体表面析出，形成一层致密的碳质薄膜，生长在基体表面，其厚度为2.5nm。利用碳质薄膜的耐磨性、防腐性、疏水性增强表面的防腐耐磨性能，延长使用寿命。

实施例3

深海采矿系统中的扬矿系统是采矿系统中的重要组成部分，它直接影响矿石的输送、采矿效率、提升能力、可靠性及作业操作。其中扬矿管在海洋环境中受多种因素极易腐蚀、磨损。扬矿管外壁在海洋中受到海水及生物的腐蚀，同时，在距海平面300米左右的位置，海浪冲击作用明显。扬矿管内壁易受矿石的磨损，长期处于高强度作业下，内壁极易受损。因此，增强扬矿管内外壁耐腐蚀、耐磨性能至关重要。

将固体碳源聚乙二醇6000基体表面一同放置在管式炉的反应室内，在氩气气氛下，以200ml/min流量通入反应室内，50ml/min流量通入氢气，20℃/min的升温速度加热到1000℃加热基体，反应1h；在此期间碳原子渗入基体内部。反应结束后，继续通氩气，10℃/min速率降温，冷却过程中过饱和的碳在基体表面析出，形成一层致密的碳质薄膜，生长在基体表面，其厚度为1.7nm。利用碳质的耐磨性、防腐性、疏水性增强基体表面的防腐耐磨性能，延长使用寿命。

实施例4

在深海资源开采系统中，扬矿管的联接装置是需要解决的技术关键之一。深海开采中数千米扬矿管及设备悬吊在采矿船下，由于自重及采矿船的颠簸和海浪的作用，其受力状态十分复杂。扬矿管的联接装置采用球铰式联接，可以消除弯矩的影响，使扬矿硬管只受轴向力，相当于柔性管。但是球铰接触面是一个摩擦接触的问题，有效的防止接触面的摩擦是十分重要的。因此，增强球铰接触面的耐磨性能至关重要。

将基体放置在管式炉的反应室内，在此反应室内以200ml/min流量通入氩气，50ml/min流量通入氢气，以保证反应室内为无氧环境；以20℃/min的升温速度将其加热到800℃进行预热，保温2h，用于优化基体表面，利于后续成膜；以有机气体乙烯为成膜剂，以20ml/min流量通入，反应时间为15min，碳原子在高温与基体形成固溶体，碳原子渗入基体内部。反应结束后，继续通氩气，将基体移至冷却区，以10℃/min速率降温，冷却过程中过饱和的碳在基体表面析出，形成一层致密的碳质薄膜，生长在基体表面，其厚度为2.1nm。利用碳质薄膜的耐磨性、防腐性、疏水性增强球铰表面的防腐耐磨性能，延长使用寿命。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。