CN101144129A

CN101144129A - 耐磨、耐腐蚀备件及其表面处理工艺

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Publication number: CN101144129A
Application number: CNA2007101578199A
Authority: CN
Inventors: 丁襄
Original assignee: 丁襄
Current assignee: Shenyang Baoding Chemical Equipment Manufacturing Co.,Ltd.
Priority date: 2007-10-30
Filing date: 2007-10-30
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2027-10-30
Also published as: CN100537805C

Abstract

本发明涉及一种耐磨、耐腐蚀备件及其表面处理工艺，其处理工艺包括：去除备件表面的油污，在有机溶剂中超声清洗；将洗净的备件放入真空离子氮化炉的真空室内，抽真空到所需真空度并加热后通氩气进行离子轰击清洗；然后继续加热升温并通入一定量的氮气对备件表面进行氮离子轰击；最后，在氮化过程中通过调整温度、氮气及氩气流量的变化等因素在钛合金备件表面形成一个硬层，厚度为0.2－0.5毫米可调。本发明不仅可以显著提高基体材料的耐磨、耐腐蚀性能，而且能增加备件使用寿命2－3倍。

Description

耐磨、耐腐蚀备件及其表面处理工艺

技术领域

本发明涉及一种金属表面处理工艺，尤其涉及一种耐磨、耐腐蚀备件及其表面处理工艺，主要是钛合金的应用及真空离子氮化技术，具体为在稀有金属钛合金的表面通过真空离子氮化工艺使其形成一个耐磨损、耐腐蚀的硬层及其制备方法，应用到需要在磨损严重和在硫酸、盐酸、钾氨、液氨等强腐蚀介质中工作的设备备件的耐磨损、耐腐蚀的防护工艺中。

背景技术

目前，化肥、化工、造纸、石油、医药等领域的大型进口设备的备品备件的工作环境相当恶劣，主要原因一是磨损严重，二是其介质腐蚀性强，如硫酸、盐酸、钾氨、液氨等。在磨损与腐蚀双重作用下，普通金属材料制成的备件使用寿命短、更换频繁，影响了生产的正常进行。目前，这些大型进口设备的备品备件主要是应用进口材料，其次是应用不进行表面处理的钛合金，或是应用进行其它表面处理的普通不锈钢。这些方法都有许多弊病，难以真正适应大型设备的正常运转和生产。

钛合金具有比重轻、比强度高、耐磨耐蚀性好，工作温度高等突出优点，是制作在恶劣环境下工作的备件的优异材料。目前已在大中型化肥厂进口设备中得到成功应用。

但是，由于这些备件的工作环境相当恶劣，仅仅依靠金属基体本身的性能，还难以满足工作需要。还必须经过表面处理才能得到更好的应用。曾尝试许多表面处理方法，如真空淬火、离子化学热处理、碳化等，但这些表面处理方法都有这样那样的问题。例如，真空淬火后，备件表面光洁度降低并有轻度变形及基材变脆等现象而不能满足使用的要求。

发明内容

本发明针对上述传统技术中存在的问题，经过反复试验，将这些试验结果进行对比，采用真空离子氮化技术并对原有技术的工艺做了相应的改进，提供了一种耐磨、耐腐蚀备件及其表面处理工艺，解决了备件在恶劣环境下工作易磨损、易腐蚀的问题；而且延长了备件的使用寿命。

本发明的技术方案如下：

耐磨、耐腐蚀备件，备件表面的渗层厚度为0.2-0.50毫米，维氏硬度HV600-1100。

所述的备件材质为钛合金。

耐磨、耐腐蚀备件的表面处理工艺，包括如下步骤：

除去备件表面的油污，在有机溶剂中进行超声清洗；

将备件装入真空室内后，抽真空至15PA-5PA，然后将备件加热到50℃-150℃，通入氩气对备件表面进行离子轰击清洗，保温10-20分钟；

通入高纯氮气使真空室内压力至30-90PA，继续升温至300-800℃，持续进行氮离子轰击；

调整氮气、氩气的流量、电流大小及轰击时间，于选定的时间周期内调整氮气、氩气分压呈周期性梯度变化，具体的参数为：时间周期范围为3-7小时；真空室内压力范围为30-80PA；温度范围为0℃-800℃。

所述的去除油污是将备件浸入三氯乙烯有机溶液中进行刷洗；超声清洗是把备件放入三氯乙烯有机溶液中通过超声波清洗机清洗。

所述的于选定的时间周期内调整氩气、氮气分压呈周期性梯度变化是指：于选定的时间周期内，氩气、氮气的流量由0调整到40-100毫升；氩气、氮气的流量比例由1∶2逐渐调整为2∶1。

本发明的优点和优异效果如下：

1、本发明利用钛合金比重轻、比强度高、耐磨耐蚀性好，工作温度高的特性及钛合金真空离子氮化硬层的高硬度，优良的耐磨损、耐腐蚀性能，从而可以得到一系列可以在硫酸、盐酸、钾氨、液氨等强腐蚀介质中工作的耐磨损、耐腐蚀的备件产品。

2、本发明经过科学的分析和论证，选择真空离子氮化硬层作为腐蚀环境条件下的高温钛合金材料的表面防护涂层，使得钛合金材料真空离子氮化技术得到有机结合。可应用于化肥、化工、造纸、石油、医药等领域的大型进口设备备件的阀芯、阀座、阀板、叶轮、轴套等备件；不仅可以显著提高基体材料的耐磨、耐腐蚀性能，而且能增加备件使用寿命2-3倍。

3、本发明真空离子氮化硬层的制备方法简单易行、成本较低。本发明以钛合金为基底材料，采用真空离子氮化工艺技术进行氮离子轰击形成氮化硬层。经过表面去除油污、在有机溶剂中超声清洗后，将试样装入氮化炉真空室内，抽真空、加热到一定的真空度和温度，通氩气对工件进行离子轰击清洗，于选定的时间周期内调整氮气和氮气分压，得到真空离子氮化硬层，渗层深度约0.2-0.5毫米，维氏硬度HV600-1100。整体硬层不仅具有优越的耐磨、耐腐蚀性能，在硫酸、盐酸、钾氨、液氨等强腐蚀介质中进行耐腐蚀试验，比不进行表面处理备件使用寿命提高2-3倍；而且备件配合密封面的光洁度保持完好。

4、采用本发明制备的真空离子氮化硬层渗层深度约0.2-0.5毫米范围内根据需要进行调整，维氏硬度在HV600-1100范围内根据需要进行调整。这种氮化硬层主要优点有：(1)氮化硬层渗入材料基体、结合强度高。(2)备件变形量很小，保持在公差允许的范围内。(3)优越的耐磨、耐腐蚀性；(4)良好的抗疲劳性能。(5)工艺比较简单，成本低，无污染，绿色环保。

附图说明

图1为本发明备件及硬层结构示意图。

图2为本发明备件及硬层的局部结构示意图。

图中，1、备件，2、氮化层，3、基体，4、表面。

具体实施方式

实施例1

钛合金备件经过表面去除油污、在三氯乙烯有机溶剂中超声清洗8分钟后，将备件取出放入烘干炉内烘干(炉内温度为100℃)后取出放入氮化炉的真空室内，抽真空至5Pa，通入纯氩气对备件表面进行离子轰击清洗15分钟；温度达50℃时，通入氮气到真空室内压力至约30Pa，继续升温至450度；于周期时间内调整氮气流量由0毫升逐渐到90毫升，调整氩气流量由0逐渐到40毫升；然后再调整氮气流量由90毫升逐渐到0毫升，调整氩气流量由40毫升逐渐到0毫升，轰击时间3.5小时。从而，得到氮化硬层。本实施例氮化硬层厚度约0.2毫米，维氏硬度HV600-700。

本发明对制备好的氮化试样进行了硬度测试，具体测试方法如下：

测试设备：日本制造SHIMAZU M84207型显微硬度计；载荷：50gf；加载时间：15秒；具体操作方法如下：首先用丙酮将试样表面清洗干净，然后把试样放在玻璃板上(测定面向上)，确定试样与玻璃板之间无间隙后，一起放到载物台上，先用400倍显微镜观察试样表面，确定测定硬度部位，然后自动加载50gf保持15秒，标定压痕对角线长度，打印出硬度值。每个样品测三点取平均值。该镀膜硬度测试结果为Hv760。

本发明对制备好的氮化试样进行了磨损性能测试试验，具体实验方法如下：

实验装置：日本制造NUS-LSO-1型磨轮式磨损试验机；磨轮砂纸：360号水磨砂纸；载荷：7.2N；电子天平测量精度：0.1mg。具体操作如下：首先用丙酮将试样表面清洗干净，热吹风把试样表面吹干，测定并记录试样初始重量。然后，将试样装卡到工作台上开始进行磨损试验，每次400转保证试样摩擦面始终与新鲜砂纸表面接触。每次磨损试验后，利用毛刷把摩擦表面清扫干净后再用丙酮将试样表面清洗干净、吹干，测定并记录试样重量，将试样磨损试验前后的重量变化作为试样的失重量。依次，每个试样磨损到露出基体为止，根据试样磨损曲线趋向评判镀膜耐磨性能的优劣。曲线越平缓且平缓区域越宽说明硬层耐磨性能越好。

实施例2

与实施例1不同之处在于：

钛合金备件经过表面去除油污、在三氯乙烯有机溶剂中超声清洗8分钟后，将备件取出放入烘干炉内烘干(炉内温度为100℃)后取出放入氮化炉的真空室内，抽真空至10Pa，通入纯氩气对备件表面进行离子轰击清洗15分钟；温度达100℃时，通入氮气到真空室内压力至约40Pa，继续升温至500度；于周期时间内调整氮气流量由0毫升逐渐到100毫升，调整氩气流量由0逐渐到50毫升，然后再调整氮气流量由100毫升逐渐到0毫升，调整氩气流量由50逐渐到0毫升，轰击时间4个小时。从而，得到氮化硬层。本实施例氮化硬层厚度约0.3毫米，维氏硬度HV700-800。

本实施例对制备好的氮化试样进行了硬度测试和磨损试验，该硬层硬度测试结果为Hv760。

实施例3

与实施例1不同之处在于：

钛合金备件经过表面去除油污、在三氯乙烯有机溶剂中超声清洗12分钟后，将备件取出放入烘干炉内烘干(炉内温度为100℃)后取出放入氮化炉的真空室内，抽真空至15Pa，通入纯氩气对备件表面进行离子轰击清洗15分钟；温度达150℃时，通入氮气到真空室内压力至约50Pa，继续升温至600℃；于周期时间内调整氮气流量由0毫升逐渐到120毫升，调整氩气流量由0逐渐到60毫升，然后再调整氮气流量由120毫升逐渐到0毫升，调整氩气流量由60逐渐到0毫升，轰击时间4.5个小时。从而，得到氮化硬层。本实施例氮化硬层厚度约0.5毫米，维氏硬度HV900-1100。

本实施例对制备好的进行了硬度测试和磨损试验，该硬层硬度测试结果为Hv1050。

实施例4

所述的调整氮气、氩气的流量、电流大小及轰击时间，于选定的时间周期内调整氮气、氩气分压呈周期性梯度变化，具体的参数为：第1小时调整氮气、氩气的流量，真空度为20PA，温度在300℃；第2小时调整氮气、氩气的流量，真空度为40PA，温度在300℃；维持3小时，真空度为60PA，温度在500℃；其它步骤同实施例1。

实施例5

所述的调整氮气、氩气的流量、电流大小及轰击时间，于选定的时间周期内调整氮气、氩气分压呈周期性梯度变化，具体的参数为：第1小时调整氮气、氩气的流量，真空度为50PA，温度在360℃；第2小时调整氮气、氩气的流量，真空度为90PA，温度在800℃；维持5小时，真空度为90PA，温度在800℃；其它步骤同实施例1。

实施例6

所述的调整氮气、氩气的流量、电流大小及轰击时间，于选定的时间周期内调整氮气、氩气分压呈周期性梯度变化，具体的参数为：第1小时调整氮气、氩气的流量，真空度为35PA，温度在325℃；第2小时调整氮气、氩气的流量，真空度为65PA，温度在550℃；维持3.5小时，真空度为75PA，温度在550℃；其它步骤同实施例1。

本发明的保护范围以权利要求书为准，不受具体实施例的限制。

Claims

1.耐磨、耐腐蚀备件，其特征在于备件表面的渗层厚度为0.2-0.50毫米，维氏硬度HV600-1100。

2.根据权利要求1所述的耐磨、耐腐蚀备件，其特征在于所述的备件材质为钛合金。

3.耐磨、耐腐蚀备件的表面处理工艺，其特征在于包括如下步骤：

除去备件表面的油污，在有机溶剂中进行超声清洗；

调整氮气、氩气的流量、电流大小及轰击时间，于选定的时间周期内调整氮气、氩气分压呈周期性梯度变化，具体的参数为：时间周期范围为3-7小时；真空室内压力范围为30-90PA；温度范围为0℃-800℃。

4.根据权利要求3所述的耐磨、耐腐蚀备件的表面处理工艺，其特征在于所述的去除油污是将备件浸入三氯乙烯有机溶液中进行刷洗；超声清洗是把备件放入三氯乙烯有机溶液中通过超声波清洗机清洗。

5.根据权利要求3所述的耐磨、耐腐蚀备件的表面处理工艺，其特征在于所述的于选定的时间周期内调整氩气、氮气分压呈周期性梯度变化是指：于选定的时间周期内，氩气、氮气的流量由0调整到40-100毫升；氩气、氮气的流量比例由1∶2逐渐调整为2∶1。

6.根据权利要求3所述的耐磨、耐腐蚀备件的表面处理工艺，其特征在于所述的调整氮气、氩气的流量、电流大小及轰击时间，于选定的时间周期内调整氮气、氩气分压呈周期性梯度变化，具体的参数为：第1小时调整氮气、氩气的流量，真空度为20PA-50PA，温度在300℃-360℃之间；第2小时调整氮气、氩气的流量，真空度为40PA-90PA，温度在300℃-800℃之间；维持3-5小时，真空度为60PA-90PA，温度在500℃-800℃之间。