CN103290332B - 一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道，其通过离心铸造制得耐磨管道本体，并且经过淬火、高温回火、固溶强化热处理以及两次回火弥散硬化热处理工艺，最后在管道内壁通过空气喷涂上防腐涂层。其金属管道具有较高的硬度和耐磨性能，其防腐涂层具有优异的耐水性、防污效果，以及耐高温性能。

Description

一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道

技术领域

本发明涉及一种管道，尤其涉及一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道。

背景技术

材料破坏有三种主要形式：即断裂、腐蚀和磨损。材料磨损尽管不像另外两种形式，很少引起金属工件灾难性的危害，但其造成的经济损失却是相当惊人的。据统计资料表明：在失效的机械零件中，大约有75％"--80％是属于金属磨损造成的。供给机器的能量大约有30％-50％消耗于摩擦和磨损过程中。零件磨损失效后，不但影响机器设备使用效能的发挥，而且需要消耗大量人力、物力更换配件和维修设备。由磨损造成的经济损失，美国约1200亿美元/年，德国约500亿马克/年。据2005年统计，国内每年消耗金属耐磨材料约达500万吨以上，价值550亿元以上。由此可见，金属磨损是造成机械零件失效的主要形式之一，金属磨损是关系到国民经济发展的重要问题。在科学技术高速发展的今天，国民经济的各个部门都对机械设备的耐用性、可靠性和精度提出了更高要求。因此，研究金属的摩擦现象和磨损机理，探讨影响磨损的各种因素，提高金属的抗磨能力，研制和开发新型抗磨材料，早已成为科技工作者面临的重要课题。

在工业领域中，磨料磨损是最重要的一种磨损类型，约占50％。磨料磨损现象广泛存在于大多数机械设备中，特别是在矿山机械、农业机械、工程机械及铸造机械等，如交通行业的各种碎石机械、挖掘机、拖拉机、采煤机、运输机，泥浆泵等。每年仅用于碎石设备如鄂式碎石机、锤式碎石机、反击式碎石机、冲击式碎石机(制砂机)、圆锥式碎石机、双辊式碎石机、泥浆泵等所消耗的耐磨材料就超过15万吨，价值20亿元以上。随着交通建设速度的加快，磨损已成为交通行业普遍存在并成为引起设备失效或材料破坏的主要原因。为了提高交通行业碎石设备和混凝土输送泵等设备的使用效率，减少维修次数，降低生产成本。因此，研究和发展新一代耐磨材料，减少金属磨损，对我国交通建设的发展具有重要的意义。

为了获得更高硬度和耐磨性，一般需要提高碳元素和合金元素含量，当碳含量增加时，热处理过程中常因热处理制度不当造成材料出现裂纹，现有热处理制度难以应用到铸造高碳高合金材料热处理中。

对于高合金钢材料，一般多采用高铬钢，有时也采用高速钢和基体钢，但效果均不太理想。这是因为高铬钢中存在着粗大的M7c3共晶碳化物，即使锻造处理也只能部分打碎，由此引起强韧性低导致耐磨性较差。高速钢虽然耐磨性很高，但是存在粗大的共晶碳化物，韧性较差，使用过程中容易崩刃，并且加工及热处理成本较高。基体钢强韧性较好，但由于淬火时碳化物几乎全部溶解，因此耐磨性不够理想。基体钢淬火奥氏体化时晶粒易长大，用作薄刃尖角工模具易发生准解理断裂，使用性能也不理想。

高合金工模具钢主要使用在对抗回火和耐磨性要求较高的工况，而低合金工模具钢主要使用在对抗回火性要求不高但对韧性要求较高的场合。在实际生产中，为了提高生产效率和使用寿命，虽然对抗回火性要求不是很高的场合，也往往选择高合金工模具钢。但是，随着生产的发展，人们逐渐认识到很多抗回火性要求不高的加工场合，使用高合金钢因没有利用其抗高温回火性，是一种浪费合金元素的使用方法，相反还会由于合金量过大，使碳化物粗化而达不到应有的韧性。但是对于低合金工模具钢，当使用工作温度超过回火温度时，往往达不到应有的抗回火性，导致耐磨性过低。

在实际工模具钢的合金设计中，为了提高高碳低合金钢的强度、耐磨性和抗回火性，往往考虑增加其合金含量，使之成为高碳中合金钢。但是，高碳中合金钢可能造成碳化物聚集长大，不易细化，对钢的强韧性、抗疲劳断裂等性能有一定的影响。而且由于提高了淬火温度，造成淬火残余奥氏体量增多，又需提高回火温度以促进残余奥氏体分解，由此反而使硬度下降，影响了中合金钢的使用性能。国内外工模具钢历来缺少高碳中合金钢品种，因此需要研制开发出适合低温淬火，显微组织中具有一定数量，尺寸及分布形态的细小碳化物，同时具有较高的硬度和强韧性，以满足使用性能要求的高碳中合金工模具钢。现有的大多数高碳中、高合金钢通过常规的锻轧加工和热处理工艺很难达到细化的目的，而通过复杂的锻轧加工或热处理工艺又会增加工艺上困难，并消耗较多的能源，往往也很难达到理想的细化程度。由于高碳合金钢通过合金化达到细化的目标相对困难，尽管国内外研究的较多，但还没有明确的解决方法。

腐蚀是引起金属管道破坏和失效的主要原因之一。导致金属材料发生腐蚀的环境主要有两大类：一类是自然环境，如自然大气、海洋、土壤等较弱腐蚀环境；另一类是工业环境，如强腐蚀性工业气体和工业溶液等。在同常自然环境的腐蚀中，其腐蚀类型属于电化学腐蚀及生化腐蚀，效果较弱，腐蚀速度较慢，短期腐蚀破坏较小，但潜在危害较大；而金属若用于强腐蚀性工业气体、溶液环境以及污水排放等用途时，其腐蚀类型属于化学腐蚀，效果强烈，腐蚀反应剧烈，破坏性很强。所以金属管道的腐蚀与其所处的环境以及输送介质有关。所以，为了提高金属管道的使用寿命，

防腐涂层必须具备下列基本特征：

（1）耐腐蚀性能好。指涂层对它所接触的腐蚀介质在物理上和化学上都是稳定的，既不被腐蚀介质溶胀、溶解，也不为腐蚀介质所破坏、分解。

（2）透气性和渗水性要小。涂层下金属的腐蚀，从本质上说是由于水和氧等穿透到涂层和金属的界面上造成的，所以必须选择透气性小的成膜物质和屏蔽作用大的填料，并使涂层达到一定的厚度，临界厚度取决于成膜树脂的性质和金属表面的处理情况等。

（3）要有良好的附着力和一定的机械强度。涂层是否能牢固地附着在金属基体上，是涂层能否发挥防护作用的关键因素之一。

然而现有技术中防腐涂层通常难以兼顾耐水性、防污效果，以及耐高温性能。

发明内容

本发明目的在于提供一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道，其金属管道具有较高的硬度和耐磨性能，其内防腐涂层具有优异的耐水性、防污效果，以及耐高温性能。

为达到以上技术目的，本发明提供以下技术方案：

一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道，其特征在于，其包括耐磨管道本体和管道内壁的防腐涂层，

所述耐磨管道本体具有以下化学成分重量百分比的原料：

C：1.6~3.7%，                              V：4.5~8.5%，

W：3.2~9.1%，                             Mo：2.4~7.6%，

Cr：3.8~8.9%，                             RE：0.15~0.4%，

Mn：0.3~0.7%，                           Si：0.05~1.0%，

B：0.01-0.02%，                           Al：0.2~0.8%，

Nb：0.08~2.4%，                          Ni：0.1~0.3%，

余量为Fe和微量不可避免杂质；

所述防腐涂层具有以下化学成分重量比的原料：

20重量份数的对数比浓粘度为0.31的热塑性聚醚砜树脂，

8重量份数的四氟乙烯-全氟基乙烯醚共聚微粉，

4重量份数的聚全氟乙丙烯微粉，

50重量份数的N-甲基吡咯烷酮，

6重量份数的丁酮，

20重量份数的甲苯，

4重量份数的二甲苯，

8重量份数的颜料；

并且，所述具有内防腐涂层的金属耐磨管道由以下步骤制备而成：

A）制备耐磨管道本体

1）根据上述管道本体的组分取材；

2）将普通废钢、微碳铬铁、铌铁、镍铁、钨铁、钼铁、铬铁和锰铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，混合加热熔化成钢水，钢水熔清后加入硅铁进行预脱氧；

3）按照原料成分配比，炉前调整成分合格后升温至1580-1630℃，再加入铝块进行最终脱氧，而后出炉；

4）将稀土硅铁合金、硼铁、钒铁置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，高碳高合金钢钢水预制完成；

5）在离心机上放置型筒并将预制好的钢水浇入型筒内，离心浇铸成厚度为30~35mm的钢管；

6）离心浇铸完成后，当铸管内壁温度降到200℃以下时停车脱模，将铸管与型筒分离并且取出；

7）先对铸管进行淬火，在温度为910~950℃下保温180~220min，然后以55~70℃/S的冷却速度油冷至室温，再进行高温回火，将铸管加热至720~740℃并且保温150~180min，炉冷至室温，从而完成调质热处理；

8）将经过上述处理的铸管再加热至温度930~980℃并且保温110~130min，然后以70~85℃/S的冷却速度油冷至室温，从而使合金元素固溶于基体金属中，完成固溶强化热处理；

9）最后再进行两次回火弥散硬化热处理工艺：一次回火温度为350~400℃，保温时间为70~90min，空冷至室温；二次回火温度为520~550℃，保温时间70~90min，空冷至室温，完成对于铸管的热处理；

10）对经过热处理的铸管管道进行内镗外扒、内外圆磨削的机加工，得到耐磨管道本体；

B）制备防腐涂层

1）根据上述防腐涂层的化学成分取材；

2）将上述原料混合后以线速度15m/s搅拌15分钟后砂磨2小时，得到防腐涂料；

3）采用气动式普通喷涂机，在温度为20~25℃的环境温度下，驱动压力泵将上述步骤制得的涂料吸入，将其加压至7.5~30MPa，通过高压软管、喷枪，最后经喷嘴喷出，并高速喷涂到步骤A）制得的耐磨管道本体的内壁，最终制得具有防腐层的耐磨管道。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1）本发明的耐磨管道本体通过大量优化实验选择了适当组分，得到高碳高合金钢；然后在对铸管的热处理工艺中，首先采用淬火加高温回火的调质热处理，以代替一般离心铸造高碳高合金钢热处理过程中常用的等温退火热处理工艺，大大缩短了热处理周期，提高工作效率；其次在固溶强化热处理后再进行两次回火弥散硬化热处理工艺，使得铸管中碳化物组织分布均匀，大大减小了偏析现象，表面质量好，并且出现二次硬化，最后制得的耐磨管道铸管中以马氏体为基体，含大量碳化物硬质相，硬度高，产品硬度达66-69HRC，具有良好的耐磨性能。

2）对于本发明的防腐涂层，其耐水、耐酸、碱、耐有机溶剂能力强，具有较好的疏油疏水性能和较强的防沾污能力；且该涂层的摩擦系数低，可以有效地实现管道降阻；并且该涂层形成均匀，且可以耐受250℃的温度。

3）本发明采用常见离心铸造设备、电路及普通喷涂设备，生产成本低，易于推广。

具体实施方式

下面给出的实施例拟以对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

A）制备耐磨管道本体

1）取材，选择以下化学成分重量百分比的原料：

C：1.6%，                              V：4.5%，

W：9.1%，                             Mo：7.6%，

Cr：3.8%，                             RE：0.15%，

Mn：0.7%，                           Si：0.05%，

B： 0.02%，                          Al：0.2%，

Nb：0.08%，                          Ni：0.1%，

余量为Fe和微量不可避免杂质；

2）将普通废钢、微碳铬铁、铌铁、镍铁、钨铁、钼铁、铬铁和锰铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，混合加热熔化成钢水，钢水熔清后加入硅铁进行预脱氧；

3）按照原料成分配比，炉前调整成分合格后升温至1580℃，再加入铝块进行最终脱氧，而后出炉；

4）将稀土硅铁合金、硼铁、钒铁置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，高碳高合金钢钢水预制完成；

5）在离心机上放置型筒并将预制好的钢水浇入型筒内，离心浇铸成厚度为30mm的钢管；

6）离心浇铸完成后，当铸管内壁温度降到200℃以下时停车脱模，将铸管与型筒分离并且取出；

7）先对铸管进行淬火，在温度为910℃下保温180min，然后以55℃/S的冷却速度油冷至室温，再进行高温回火，将铸管加热至720℃并且保温150min，炉冷至室温，从而完成调质热处理；

8）将经过上述处理的铸管再加热至温度930℃并且保温110min，然后以70℃/S的冷却速度油冷至室温，从而使合金元素固溶于基体金属中，完成固溶强化热处理；

9）最后再进行两次回火弥散硬化热处理工艺：一次回火温度为350℃，保温时间为70min，空冷至室温；二次回火温度为520℃，保温时间70min，空冷至室温，完成对于铸管的热处理；

10）对经过热处理的铸管管道进行内镗外扒、内外圆磨削的机加工，得到耐磨管道本体；

B）制备防腐涂层

1）取材，选择以下化学成分重量百分比的原料：

20重量份数的对数比浓粘度为0.31的热塑性聚醚砜树脂，

8重量份数的四氟乙烯-全氟基乙烯醚共聚微粉，

4重量份数的聚全氟乙丙烯微粉，

50重量份数的N-甲基吡咯烷酮，

6重量份数的丁酮，

20重量份数的甲苯，

4重量份数的二甲苯，

8重量份数的颜料；

2）将上述原料混合后以线速度15m/s搅拌15分钟后砂磨2小时，得到防腐涂料；

3）采用气动式普通喷涂机，在温度为20~25℃的环境温度下，驱动压力泵将上述步骤制得的涂料吸入，将其加压至7.5~30MPa，通过高压软管、喷枪，最后经喷嘴喷出，并高速喷涂到步骤A）制得的耐磨管道本体的内壁，最终制得具有防腐层的耐磨管道。

对上述实施例制得的耐磨管道进行硬度和抗弯强度测试，测得硬度为67HRC，抗弯强度为1442Mp。再对防腐涂层进行测试，涂层漆膜硬度为4H，浸泡在10%硫酸中4天涂层没有起泡或脱落现象。

实施例2

A）制备耐磨管道本体

1）取材，选择以下化学成分重量百分比的原料：

C：2.7%，                              V：6.0%，

W：6.9%，                             Mo：5.3%，

Cr：5.4%，                             RE：0.23%，

Mn：0.6%，                           Si：0.08%，

B：0.01%，                            Al：0.5%，

Nb：1.1%，                            Ni：0.2%，

余量为Fe和微量不可避免杂质；

2）将普通废钢、微碳铬铁、铌铁、镍铁、钨铁、钼铁、铬铁和锰铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，混合加热熔化成钢水，钢水熔清后加入硅铁进行预脱氧；

3）按照原料成分配比，炉前调整成分合格后升温至1600℃，再加入铝块进行最终脱氧，而后出炉；

4）将稀土硅铁合金、硼铁、钒铁置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，高碳高合金钢钢水预制完成；

5）在离心机上放置型筒并将预制好的钢水浇入型筒内，离心浇铸成厚度为30~35mm的钢管；

6）离心浇铸完成后，当铸管内壁温度降到200℃以下时停车脱模，将铸管与型筒分离并且取出；

7）先对铸管进行淬火，在温度为930℃下保温200min，然后以65℃/S的冷却速度油冷至室温，再进行高温回火，将铸管加热至730℃并且保温160min，炉冷至室温，从而完成调质热处理；

8）将经过上述处理的铸管再加热至温度950℃并且保温120min，然后以75℃/S的冷却速度油冷至室温，从而使合金元素固溶于基体金属中，完成固溶强化热处理；

9）最后再进行两次回火弥散硬化热处理工艺：一次回火温度为380℃，保温时间为80min，空冷至室温；二次回火温度为540℃，保温时间80min，空冷至室温，完成对于铸管的热处理；

10）对经过热处理的铸管管道进行内镗外扒、内外圆磨削的机加工，得到耐磨管道本体；

B）制备防腐涂层

1）取材，选择以下化学成分重量百分比的原料：

20重量份数的对数比浓粘度为0.31的热塑性聚醚砜树脂，

8重量份数的四氟乙烯-全氟基乙烯醚共聚微粉，

4重量份数的聚全氟乙丙烯微粉，

50重量份数的N-甲基吡咯烷酮，

6重量份数的丁酮，

20重量份数的甲苯，

4重量份数的二甲苯，

8重量份数的颜料；

2）将上述原料混合后以线速度15m/s搅拌15分钟后砂磨2小时，得到防腐涂料；

3）采用气动式普通喷涂机，在温度为20~25℃的环境温度下，驱动压力泵将上述步骤制得的涂料吸入，将其加压至7.5~30MPa，通过高压软管、喷枪，最后经喷嘴喷出，并高速喷涂到步骤A）制得的耐磨管道本体的内壁，最终制得具有防腐层的耐磨管道。

对上述实施例制得的耐磨管道进行硬度和抗弯强度测试，测得硬度为68HRC，抗弯强度为1432Mp。再对防腐涂层进行测试，涂层漆膜硬度为4H，浸泡在10%水中4天涂层没有起泡或脱落现象。

实施例3

A）制备耐磨管道本体

1）取材，选择以下化学成分重量百分比的原料：

C： 3.7%，                                   V： 8.5%，

W： 3.2%，                                  Mo： 2.4%，

Cr： 8.9%，                                  RE： 0.4%，

Mn：0.3%，                                  Si： 1.0%，

B：0.01%，                                   Al： 0.8%，

Nb： 2.4%，                                 Ni： 0.3%，

余量为Fe和微量不可避免杂质；

2）将普通废钢、微碳铬铁、铌铁、镍铁、钨铁、钼铁、铬铁和锰铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，混合加热熔化成钢水，钢水熔清后加入硅铁进行预脱氧；

3）按照原料成分配比，炉前调整成分合格后升温至1630℃，再加入铝块进行最终脱氧，而后出炉；

4）将稀土硅铁合金、硼铁、钒铁置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，高碳高合金钢钢水预制完成；

5）将预制好的钢水浇入到卧式离心浇铸机内离心浇铸成厚度为35mm的高碳高合金钢管；离心浇注铸型采用双层金属型；

6）离心浇铸完成后，当铸管内壁温度降到200℃以下时停车脱模，将铸管与型筒分离并且取出；

7）先对铸管进行淬火，在温度为910~950℃下保温220min，然后以70℃/S的冷却速度油冷至室温，再进行高温回火，将铸管加热至740℃并且保温180min，炉冷至室温，从而完成调质热处理；

8）将经过上述处理的铸管再加热至温度980℃并且保温130min，然后以85℃/S的冷却速度油冷至室温，从而使合金元素固溶于基体金属中，完成固溶强化热处理；

9）最后再进行两次回火弥散硬化热处理工艺：一次回火温度为400℃，保温时间为90min，空冷至室温；二次回火温度为550℃，保温时间90min，空冷至室温，完成对于铸管的热处理；

10）对经过热处理的铸管管道进行内镗外扒、内外圆磨削的机加工，得到耐磨管道本体；

B）制备防腐涂层

1）取材，选择以下化学成分重量百分比的原料：

20重量份数的对数比浓粘度为0.31的热塑性聚醚砜树脂，

8重量份数的四氟乙烯-全氟基乙烯醚共聚微粉，

4重量份数的聚全氟乙丙烯微粉，

50重量份数的N-甲基吡咯烷酮，

6重量份数的丁酮，

20重量份数的甲苯，

4重量份数的二甲苯，

8重量份数的颜料；

2）将上述原料混合后以线速度15m/s搅拌15分钟后砂磨2小时，得到防腐涂料；

3）采用气动式普通喷涂机，在温度为20~25℃的环境温度下，驱动压力泵将上述步骤制得的涂料吸入，将其加压至7.5~30MPa，通过高压软管、喷枪，最后经喷嘴喷出，并高速喷涂到步骤A）制得的耐磨管道本体的内壁，最终制得具有防腐层的耐磨管道。

对上述实施例制得的耐磨管道进行硬度和抗弯强度测试，测得硬度为69HRC，抗弯强度为1421Mp。再对防腐涂层进行测试，涂层漆膜硬度为4H，浸泡在10%NaOH中4天涂层没有起泡或脱落现象。

上述实施例中：所采用的各原料均为市售产品。

本发明不限于上述实施例，本发明内容所述均可实施并具有所述良好效果。

Claims (1)

1.一种具有内防腐涂层的金属耐磨管道，其特征在于，其包括耐磨管道本体和管道内壁的防腐涂层，

所述耐磨管道本体具有以下化学成分重量百分比的原料：

C：1.6~3.7%，                              V：4.5~8.5%，

W：3.2~9.1%，                             Mo：2.4~7.6%，

Cr：3.8~8.9%，                             RE：0.15~0.4%，

Mn：0.3~0.7%，                           Si：0.05~1.0%，

B：0.01-0.02%，                           Al：0.2~0.8%，

Nb：0.08~2.4%，                          Ni：0.1~0.3%，

余量为Fe和微量不可避免杂质；

所述防腐涂层具有以下化学成分重量比的原料：

20重量份数的对数比浓粘度为0.31的热塑性聚醚砜树脂，

8重量份数的四氟乙烯-全氟基乙烯醚共聚微粉，

4重量份数的聚全氟乙丙烯微粉，

50重量份数的N-甲基吡咯烷酮，

6重量份数的丁酮，

20重量份数的甲苯，

4重量份数的二甲苯，

8重量份数的颜料；

并且，所述具有内防腐涂层的金属耐磨管道由以下步骤制备而成：

A）制备耐磨管道本体

1）根据上述管道本体的组分取材；

2）将普通废钢、微碳铬铁、铌铁、镍铁、钨铁、钼铁、铬铁和锰铁混合加热熔化，用生铁或石墨增碳，混合加热熔化成钢水，钢水熔清后加入硅铁进行预脱氧；

3）按照原料成分配比，炉前调整成分合格后升温至1580-1630℃，再加入铝块进行最终脱氧，而后出炉；

4）将稀土硅铁合金、硼铁、钒铁置于浇包底部，用包内冲入法对钢水复合变质处理，高碳高合金钢钢水预制完成；

5）在离心机上放置型筒并将预制好的钢水浇入型筒内，离心浇铸成厚度为30~35mm的钢管；

6）离心浇铸完成后，当铸管内壁温度降到200℃以下时停车脱模，将铸管与型筒分离并且取出；

7）先对铸管进行淬火，在温度为910~950℃下保温180~220min，然后以55~70℃/S的冷却速度油冷至室温，再进行高温回火，将铸管加热至720~740℃并且保温150~180min，炉冷至室温，从而完成调质热处理；

8）将经过上述处理的铸管再加热至温度930~980℃并且保温110~130min，然后以70~85℃/S的冷却速度油冷至室温，从而使合金元素固溶于基体金属中，完成固溶强化热处理；

9）最后再进行两次回火弥散硬化热处理工艺：一次回火温度为350~400℃，保温时间为70~90min，空冷至室温；二次回火温度为520~550℃，保温时间70~90min，空冷至室温，完成对于铸管的热处理；

10）对经过热处理的铸管管道进行内镗外扒、内外圆磨削的机加工，得到耐磨管道本体；

B）制备防腐涂层

1）根据上述防腐涂层的化学成分取材；

2）将上述原料混合后以线速度15m/s搅拌15分钟后砂磨2小时，得到防腐涂料；

3）采用气动式普通喷涂机，在温度为20~25℃的环境温度下，驱动压力泵将上述步骤制得的涂料吸入，将其加压至7.5~30MPa，通过高压软管、喷枪，最后经喷嘴喷出，并高速喷涂到步骤A）制得的耐磨管道本体的内壁，最终制得具有防腐层的耐磨管道。