CN103953772A - 碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门，包括阀门基体，所述阀门基体表面从里到外依次设有采用超音速火焰喷涂方法喷涂的WC底涂层和采用磁控溅射方法沉积的CrN顶涂层。本发明的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门所具有的优点是：能够较好的适用于恶劣工况中。本发明还公开了该碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的制备方法。

Description

碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门及其制备方法
技术领域
本发明涉及阀门技术领域，尤其是涉及一种超硬耐磨阀门。本发明还涉及该超硬耐磨阀门的制备方法。
背景技术
阀门为工业设备中之关键控制部件，广泛应用于石油、化工、冶金、电力、食品、医药、给排水、气体输送等各个行业。在一些恶劣的工作环境下，比如石油化工等行业中，存在高冲刷性、强腐蚀性以及高温高压气、固、液三相流的高杂质磨损等恶劣工况，这种使用环境对阀门的要求非常高，需要使用高性能的超硬耐磨阀门。
表面工程技术是指材料经过表面预处理后，通过表面改性、表面涂覆或多种表面技术复合处理，改变基体表面的表面形态、化学成分、组织结构和应力状态等，以获得所需表面性能的系统工程。其中，表面涂覆是表面工程技术的重要组成部分。为了延长阀门在恶劣工况下的使用寿命，人们普遍选择表面涂覆技术对阀门基体进行改性，提高其硬度、耐磨性和耐蚀性。
目前，阀门产品无论采用哪种涂层技术，大都使用单一的涂层材料。对于单一的涂层材料，受限于材料本身的特性，虽然涂层阀门在某些方面的性能良好，但另一些方面的性能可能受到限制，导致产品的综合性能不高。比如，涂覆有WC涂层的阀门硬度高，耐磨性能好，但阀门的抗氧化性能和耐蚀性能不高；涂覆有CrN涂层的阀门耐蚀性好，也具有较高的硬度，但与基体结合强度不高，使用过程中容易产生涂层脱落的问题。这些方面的不足，都会缩短超硬耐磨涂层的使用寿命，不能满足阀门在恶劣工况下的使用。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门，它具有能够较好的适用于恶劣工况中的特点。本发明还公开了该碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的制备方法。
本发明所采用的第一个技术方案是：碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门，包括阀门基体，所述阀门基体表面从里到外依次设有采用超音速火焰喷涂方法喷涂的WC底涂层和采用磁控溅射方法沉积的CrN顶涂层。
所述WC底涂层的厚度为50～500μm，CrN顶涂层的厚度为1～5μm。
本发明的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门所具有的优点是：能够较好的适用于恶劣工况中。本发明的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门充分吸收了WC涂层和CrN涂层的优点，使该阀门具有较高的硬度和耐磨性能，且具有较好的抗氧化能力和耐腐蚀性，能够适用于较为恶劣的工况中。更具体的说，WC作为阀门底涂层与基体直接接触，附着性好，有利于提高涂层与基体的结合强度；CrN作为阀门顶涂层，抗氧化性能好，有利于提高产品的耐蚀特性。同时，由于WC涂层存在不同程度的孔隙率，在一些强腐蚀环境中服役，需要进行必要的封孔处理，而WC底涂层之上沉积的CrN顶涂层起到对WC底涂层封孔的作用。而且，CrN顶涂层具有微细结构，在涂层内部产生压应力，抗裂纹扩展能力强，CrN顶涂层表面光滑，能有效阻止横裂纹的扩展，同时降低摩擦系数。换句话说，二种涂层配合使用，有利于发挥不同涂层的各自优势，使碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门达到高性能，应用于恶劣工况等特殊领域，提高使用寿命。
本发明所采用的第二个技术方案是：碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的制备方法，包括以下步骤：
1)预处理：对阀门基体表面依次进行预加工、表面净化和表面活化的预处理；
2)喷涂底涂层：以WC粉末为喷涂材料，将航空煤油和氧气雾化混合后喷入燃烧室中连续燃烧，产生高压焰流，并通过膨胀喷嘴将高压焰流加速到超音速，以氮气为送粉气体，携带WC粉末进入高速焰流中，经加热、加速，喷射到工件表面形成涂层，主要喷涂参数为：煤油流量20～30L/h，氧气流量50～60m3/h，送粉率70～80g/min，喷涂距离310～350mm，喷涂角度：球面法向，单道次喷涂厚度为10～15μm；
3)沉积顶涂层：以纯金属Cr为靶材，以Ar-N2混合气体为工作气体，金属Cr靶材经溅射产生Cr原子或离子，与工作气体中的N2反应生成CrN，沉积在基体表面，形成CrN涂层，主要沉积参数为：工作气体压强0.5～3Pa，Ar和N2流量由质量流量计控制，分压比1:1～1:3，溅射电流0.5～2A，溅射电压100～300V，沉积温度200～700℃。
本发明的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的制备方法所具有的优点是：易于实现。该方法中所使用的设备均在工业中广泛应用，工艺过程简单，易于控制，适合大规模生产和产业化应用，具有良好的工业应用前景。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：
图1是本发明的实施例的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门表面结构的主视剖视图。
图中：10、阀门基体；20、WC底涂层；30、CrN顶涂层。
具体实施方式
实施例1
见图1所示：碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门，包括阀门基体10。该阀门基体10表面从里到外依次设有采用超音速火焰喷涂方法喷涂的WC底涂层20和采用磁控溅射方法沉积的CrN顶涂层30。其中，该WC底涂层20的厚度为50μm，CrN顶涂层30的厚度为5μm。
其制备方法包括以下步骤：
1)预处理：对该阀门基体10表面依次进行预加工、表面净化和表面活化的预处理。其中，表面预加工指的是：球面磨削加工及去毛刺处理；表面净化采用的方法为：清洗、除锈、除油脱脂处理；表面活化采用的方法为：喷砂粗化或抛光。
2)喷涂底涂层：该WC底涂层20采用超音速火焰喷涂方法喷涂。具体的，将航空煤油和氧气雾化混合后喷入燃烧室中连续燃烧，产生高压焰流，并通过膨胀喷嘴将高压焰流加速到超音速。以氮气为送粉气体，携带WC粉末进入高速焰流中，经加热、加速，喷射到工件表面形成该WC底涂层20。主要喷涂参数为：煤油流量20L/h，氧气流量50m3/h，送粉率70g/min，喷涂距离310mm，喷涂角度：球面法向，单道次喷涂厚度为10μm。该过程采用的喷涂系统设备可以分为四个部分：机械手控制的喷枪、控制系统、送粉系统、冷却系统。
3)沉积顶涂层：该CrN顶涂层30采用磁控溅射方法沉积于该WC底涂层20上。具体的，以纯金属Cr为靶材，以Ar-N2混合气体为工作气体，金属Cr靶材经溅射产生Cr原子或离子，与工作气体中的N2反应生成CrN，沉积在该WC底涂层20表面，形成该CrN顶涂层30。主要沉积参数为：工作气体压强0.5Pa，Ar和N2流量由质量流量计控制，分压比1:1，溅射电流0.5A，溅射电压100V，沉积温度200℃。该过程采用磁控溅射离子镀层设备。
这样，形成成品1。
实施例2
与实施例1的区别在于：
该碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的阀门基体10表面的WC底涂层20的厚度为150μm，CrN顶涂层30的厚度为3μm。
其制备方法中：
步骤2)中的主要喷涂参数为：煤油流量25L/h，氧气流量55m3/h，送粉率75g/min，喷涂距离330mm，单道次喷涂厚度为15μm。
步骤3)中的主要沉积参数为：工作气体压强1Pa，Ar和N2流量由质量流量计控制，分压比1:2，溅射电流1A，溅射电压200V，沉积温度400℃。
这样，形成成品2。
实施例3
与实施例1的区别在于：
该碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的阀门基体10表面的WC底涂层20的厚度为260μm，CrN顶涂层30的厚度为2μm。
其制备方法中：
步骤2)中的主要喷涂参数为：煤油流量30L/h，氧气流量60m3/h，送粉率80g/min，喷涂距离350mm，单道次喷涂厚度为13μm。
步骤3)中的主要沉积参数为：工作气体压强2Pa，Ar和N2流量由质量流量计控制，分压比1:3，溅射电流1.5A，溅射电压300V，沉积温度600℃。
这样，形成成品3。
实施例4
与实施例1的区别在于：
该碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的阀门基体10表面的WC底涂层20的厚度为500μm，CrN顶涂层30的厚度为1μm。
其制备方法中：
步骤2中单道次喷涂厚度为10μm。
步骤3)中的主要沉积参数为：工作气体压强3Pa，溅射电流2A，沉积温度700℃。
这样，形成成品4。
实验例
取成品1～4，经常规实验，
从上表可以得到本产品无论从硬度，耐磨、耐腐蚀及摩擦系数等指标都做优于常规产品。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门，包括阀门基体，其特征在于：所述阀门基体表面从里到外依次设有采用超音速火焰喷涂方法喷涂的WC底涂层和采用磁控溅射方法沉积的CrN顶涂层。
2.根据权利要求1所述的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门，其特征在于：所述WC底涂层的厚度为50～500μm，CrN顶涂层的厚度为1～5μm。
3.根据权利要求1或2所述的碳化钨氮化铬复合涂层的超硬耐磨阀门的制备方法，包括以下步骤：
1)预处理：对阀门基体表面依次进行预加工、表面净化和表面活化的预处理；
2)喷涂底涂层：将航空煤油和氧气雾化混合后喷入燃烧室中连续燃烧，产生高压焰流，并通过膨胀喷嘴将高压焰流加速到超音速，以氮气为送粉气体，携带WC粉末进入高速焰流中，经加热、加速，喷射到工件表面形成涂层，主要喷涂参数为：煤油流量20～30L/h，氧气流量50～60m3/h，送粉率70～80g/min，喷涂距离310～350mm，喷涂角度：球面法向，单道次喷涂厚度为10～15μm；
3)沉积顶涂层：以纯金属Cr为靶材，以Ar-N2混合气体为工作气体，金属Cr靶材经溅射产生Cr原子或离子，与工作气体中的N2反应生成CrN，沉积在基体表面，形成CrN涂层，主要沉积参数为：工作气体压强0.5～3Pa，Ar和N2流量由质量流量计控制，分压比1:1～1:3，溅射电流0.5～2A，溅射电压100～300V，沉积温度200～700℃。
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