CN105648494B - 一种铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种石油行业铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，通过将待处理零件置于稀硫酸电解液中进行电解，控制电解电压为40～90V，电解开始时先将电流密度控制在0.5A/dm2，然后在20‑25分钟内分5～8次逐步升高电流密度到2.5A/dm2，之后保持电解槽内的电流密度为2.5A/dm2，控制电解时间为1～3小时，最后在石油行业铝基阀门类零件表面自生长形成厚度为20～100微米的三氧化二铝陶瓷层。本发明基于硬质阳极氧化技术在铝基工件表面自生长陶瓷层的原理实现对石油行业铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理，有效解决了石油阀门类零件的磨损腐蚀问题，且处理过程时间短，成品率高，性能稳定性高，具有广阔的市场前景。

Description

一种铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法
技术领域
本发明属于石油行业耐磨耐腐蚀技术领域，具体涉及铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，特别是基于硬质阳极氧化方法自生长陶瓷的石油行业铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法。
背景技术
石油行业由于其工作环境的特殊性，采油及输油过程中，设备长时间的经受缓蚀剂、油、气等介质的冲刷及腐蚀，尤其是石油行业中的阀门类零件，不仅要经受多种介质的冲刷及腐蚀，且要承受较大的压力，管道会因为阀零件压力的分布不均匀而产生局部高压，易发生管道爆裂等事故。所以石油行业所用的阀门类如组合阀、高阀、调节阀、板阀等等均需要有较好的耐磨性能及耐腐蚀性能。
目前对于石油阀门类零件的耐磨、耐腐蚀性的解决方案包括以下两种方式：
(1)采用低成本的材质制作阀门，在重要阀门周围进行压力检测，当检测到压力不满足要求时，对阀门类零件进行更换，以避免事故发生；
(2)阀门整体采用高硬度耐磨性较好的不锈钢材质制作。
这两种技术在实际使用过程中都存在自身明显的不足。
方式(1)所述的采用低成本制作材料制作阀门类零件的方案，会增加阀门更换频率，虽采取压力检测确实可以在一定范围内解决阀门类零件的失效问题，但是人工成本太高，且材料浪费严重，增加了工人的工作量，且不能从根本上解决阀门类零件需要耐磨耐腐蚀的问题。
方式(2)所述的整体采用高硬度高耐磨性的不锈钢材质制作阀门类零件的方案，则成本太高，且在非工作面上采用此类高性能材料，不满足设计中零部件同寿命的原则，极易造成材料浪费，大大增加了生产成本。
因此现有技术中，尤其是针对石油行业阀门等阀门类零件并没有一种很好的耐磨耐腐蚀技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有的解决了现有阀门类零件不能满足长时间工作、高性价比及材料浪费严重的问题。
为此，本发明提供了一种铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，包括以下步骤：
步骤一，将待处理的铝基阀门类零件在盛有清洗溶液的超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗完成后用非纤维编制软布将零件表面擦拭干净；
步骤二，将清洗后的铝基阀门类零件采用第一夹具固定后浸入盛满电解液的电解槽中，并将第一夹具与电解槽电源的正极相连，铝基阀门类零件作为电解阳极；
将一铅板采用第二夹具固定后浸入盛满电解液的电解槽中，并将第二夹具与电解槽电源的负极相连，铅板作为电解阴极；
步骤三，开启电解槽的温控设备，将电解槽内电解液的温度控制在室温以下，并开启电解槽的电解液搅拌设备；
步骤四，接通电解槽电源，并将电源电压控制在40～90V，电解开始时先将电解槽内的电流密度控制在0.5A/dm2，然后在20～25分钟内分5～8次逐步将电流密度升高到2.5A/dm2，之后保持电解槽内的电流密度为2.5A/dm2，电解1～3小时，铝基阀门类零件表面自生长形成厚度为20～100微米的三氧化二铝陶瓷层；
步骤五，关闭电解槽电源，待铝基阀门类零件温度降至室温时，关闭电解槽的温控设备和电解液搅拌设备，并从电解槽中取出铝基阀门类零件；
步骤六，将步骤五中的铝基阀门类零件放入封闭溶液中进行封闭处理，封闭温度为55～65℃，封闭时间为30～40min，封闭处理完成后取出，并清洗、烘干，完成铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理。
步骤一中所述的清洗溶液为无水乙醇和丙酮的混合溶液，无水乙醇和丙酮的混合体积比为3:1。
步骤一中所述的非纤维编制软布是指无纺布或人造吸水布。
步骤二中所述的电解液是浓度在10～15％的稀硫酸溶液。
步骤三中所述的开启电解槽的温控设备，将电解槽内电解液的温度控制在室温以下，是指控制在3～6℃。
步骤三和步骤五中所述的电解液搅拌设备是指压缩空气搅拌器。
步骤六中所述的封闭溶液选用质量分数为5％，PH值在5.5～6.5的重铬酸钾溶液。
本发明提供的铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法具有以下有益效果：
(1)本发明所述方法基于硬质阳极氧化技术在铝基材料表面形成自生长陶瓷层，借助所述陶瓷层的耐磨耐腐蚀性能解决了所有铝基材料的表面磨损腐蚀问题，尤其是石油行业铝基阀门类零件的表面磨损腐蚀问题，大大提高了阀门类零件的使用寿命，具有广泛的推广应用前景；
(2)采用本发明提供的铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法处理完后，大幅度的降低了石油类阀门的重量，且铝合金仅用在阀门类零件的易磨损工作带，成本并没有较大大幅增加；
(3)本发明所述方案采用了先进的表面处理技术，与传统的工艺相比，具有更高的表面耐磨性能，其表面硬度在800～1700HV，可大幅度提高处理后零件在石油工作面下恶劣环境中表面的耐磨性能；
(5)本发明所述方案制备的氧化铝陶瓷薄膜，是通过加速零件表面铝合金的氧化而形成的，属于自生长性薄膜，能较大的提高薄膜与零件基体的结合性能，增加耐磨性；
(6)本发明所述方案通过硬质阳极氧化方法在零件表面沉积一层陶瓷薄膜，该薄膜厚度尺寸小，20～100um，对零件的尺寸公差影响较小；
(7)本发明所述方案避免了传统的采用多次更换零件的方式来保证井下工况的正常，具有良好的节约材料性及环保性；
(8)本发明所述方案制备的石油阀门类零件自生长性陶瓷相对于传统不锈钢阀门，节约了大量的成本；
(9)本发明所述方案制备的石油阀门类零件自生长性陶瓷具有优异的抗老化性、抗冲击性、抗弯曲性能，具有更好的工艺适用性，并在大幅提高零件表面性能的前提下兼顾了良好的经济适用性，在石油阀门类零件表面耐磨耐腐蚀处理中具有广阔的市场推广前景。
具体实施方式
实施例1：
本发明提供了一种铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，包括以下步骤：
步骤一，将待处理的铝基阀门类零件在盛有清洗溶液的超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗完成后用非纤维编制软布将零件表面擦拭干净；
步骤二，将清洗后的铝基阀门类零件采用第一夹具固定后浸入盛满电解液的电解槽中，并将第一夹具与电解槽电源的正极相连，铝基阀门类零件作为电解阳极；
将一铅板采用第二夹具固定后浸入盛满电解液的电解槽中，并将第二夹具与电解槽电源的负极相连，铅板作为电解阴极；
步骤三，开启电解槽的温控设备，将电解槽内电解液的温度控制在室温以下，并开启电解槽的电解液搅拌设备；
步骤四，接通电解槽电源，并将电源电压控制在40～90V，电解开始时先将电解槽内的电流密度控制在0.5A/dm2，然后在20～25分钟内分5～8次逐步将电流密度升高到2.5A/dm2，之后保持电解槽内的电流密度为2.5A/dm2，电解1～3小时，铝基阀门类零件表面自生长形成厚度为20～100微米的三氧化二铝陶瓷层；
步骤五，关闭电解槽电源，待铝基阀门类零件温度降至室温时，关闭电解槽的温控设备和电解液搅拌设备，并从电解槽中取出铝基阀门类零件；
步骤六，将步骤五中的铝基阀门类零件放入封闭溶液中进行封闭处理，封闭温度为55～65℃，封闭时间为30～40min，封闭处理完成后取出，并清洗、烘干，完成铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理。
需要说明的是，零件在氧化过程中，要承受很高的电压和较高的电流，因此一定要使用夹具将零件夹紧，使夹具和零件能保持极良好的接触，否则将因接触不良而造成击穿或烧伤零件接触部位，步骤二中提到的用于夹持待处理的铝基阀门类零件的第一夹具，以及用于夹持铅板的第二夹具均采用传统的氧化时夹持零件的夹具，由于第一夹具和第二夹具均是现有技术，其具体的结构不作为本发明的保护点，在此不再作详细的说明。同时，步骤三和步骤五中所述的温控设备选用的是传统电解工艺电解时的温控设备，可以根据需要在市场上采购，是现有技术，其具体的结构不作为本发明的保护点，在此不再作详细的说明。
本发明所述铝基阀门类零件是指采用铝或铝合金制备的阀门类零件，至少需要进行耐磨耐腐蚀处理的阀门类零件的工作面是采用铝或铝合金制作的，最常见的为铝合金阀门类零件，其构成元素中主要含有铝元素。通过在石油阀门类零件表面制备自生长陶瓷涂层，尤其是在石油行业上的组合阀、高阀、板阀等阀门类设备的表面制备自生长陶瓷涂层来大幅提升其耐磨特性，解决阀门类零件的磨损腐蚀问题，通过本发明所形成的整体致密耐磨耐腐蚀涂层的硬度在800～1700HV，厚度在50～100um，由于此类涂层是从零件表面生长产生，所以涂层与基体有着良好的机械结合力，中性盐雾试验时间＞350h，且整个制备过程时间短，成品率高，性能稳定性高，使得所述耐磨耐腐蚀处理方法能够广泛推广应用于多个铝基材料表面处理领域，具有广阔的市场前景。
本发明提供的铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法的具体原理过程是：
由于电解液中的铝或铝合金阀门零件，连接电源的正极，作为电解阳极浸没在电解液中，同时电解液浸没连接电源负极的铅板，作为电极阴极，这样当电源接通时，在电解液与电流的作用下，阳极附近溶液中的氢氧根离子大量失去电子，变成氢气与氧气，阴极附近溶液中的氢离子结合电子，变成稳定性较高的氢气；同时在阳极附近聚集了大量的氧分子，与铝或铝合金零件表面的铝元素结合，生成稳定性更强、更加致密的氧化铝陶瓷层，由于铝元素是阀门类零件自身所包含的基体元素，因此形成的氧化铝陶瓷层与铝基体之间为冶金结合状态，具有极高的结合强度。同时由于氧化铝陶瓷导电性较差，在电解过程中零件表面的电阻越来越大，膜层的形成也越来越慢，导致形成陶瓷层所需要的电压也将越来越大，形成的时间也越来越长，所以需要在保持电解槽内电流密度为2.5A/dm2时，在40～90V的范围内适当的提高电压与电解持续时间，以利于零件表面陶瓷层的生长。经过试验整个电解氧化过程时间应根据厚度需要进行控制，一般将其控制在1～3h，经过所述电解过程在阀门类零件表面自生长形成厚度在20～100微米的三氧化二铝陶瓷层。
本发明通过上述方法在石油行业铝基阀门类零件的铝合金工作面上自生长了一层厚度在20～100微米的三氧化二铝陶瓷涂层，经过试验测试，所形成的三氧化二铝陶瓷表面显微硬度可达到800～1700HV，相对于传统的涂层、涂料技术，具有更加优异的耐磨性、耐腐蚀和抗压性能，满足了石油行业的耐磨性能要求，采用5％NaCl盐雾腐蚀进行测试，耐腐蚀时间大于300小时，相对于传统技术具有更高的稳定性能及表面耐腐蚀性能，同时整个工艺过程温度在室温温度下进行，避免了高温高压环境下对基体工件材料力学性能的影响和破坏，以更加经济适用的简化工艺程度，促进了本发明所述技术在石油阀门类零件中的广泛推广应用。表1为本发明所述方法与传统工艺的综合性能对比说明。
表1
工艺方案 成本 耐磨性 耐腐蚀 结合强度
本发明所述方法 低 好 好 自生长(机械结合)
普通钢材制作阀门零件 低 差 差 —
不锈钢制作阀门零件 高 一般 一般 —
实施例2：
在实施例1的基础上，步骤一中所述的清洗溶液为无水乙醇和丙酮的混合溶液，无水乙醇和丙酮的混合体积比为3:1。步骤一中所述的非纤维编制软布是指无纺布或人造吸水布。步骤二中所述的电解液是浓度在10～15％的稀硫酸溶液。步骤三中所述的开启电解槽的温控设备，将电解槽内电解液的温度控制在室温以下，是指控制在3～6℃。步骤三和步骤五中所述的电解液搅拌设备是指压缩空气搅拌器。步骤六中所述的封闭溶液选用质量分数为5％，PH值在5.5～6.5的重铬酸钾溶液。需要说明的是，步骤六中的封闭处理后清洗，可以采用纯水清洗。
本发明针对石油行业铝基阀门类零件创新提出一种表面自生长耐磨陶瓷的方法，所述铝基阀门类零件是指采用铝或铝合金制备的阀门类零件，至少需要进行耐磨耐腐蚀处理的阀门类零件的工作面是采用铝或铝合金制作的，最常见的为铝合金阀门类零件，其构成元素中主要含有铝元素。通过在石油阀门类零件表面制备自生长陶瓷涂层，尤其是在石油行业上的组合阀、高阀、板阀等阀门类设备的表面制备自生长陶瓷涂层来大幅提升其耐磨特性，解决阀门类零件的磨损腐蚀问题，通过本发明所形成的整体致密耐磨耐腐蚀涂层的硬度在800～1700HV，厚度在50～100um，由于此类涂层是从零件表面生长产生，所以涂层与基体有着良好的机械结合力，中性盐雾试验时间＞350h，且整个制备过程时间短，成品率高，性能稳定性高，使得所述耐磨耐腐蚀处理方法能够广泛推广应用于多个铝基材料表面处理领域，具有广阔的市场前景。
实施例3：
下面以石油行业铝基阀门类零件中常用的铝合金板阀和铝合金组合阀为例，采用本发明提供的铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法对其进行氧化处理，具体步骤如下：
对铝合金石油板阀表面通过自生长陶瓷层进行防腐耐磨处理，具体包括以下步骤：
(1)将待处理的铝合金石油板阀在超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗处理后的石油板阀表面用无纺布或人造吸水布擦拭干净；
(2)将经步骤一处理后的石油板阀采用夹具固定后浸入盛满稀硫酸的电解槽中，并将夹具与电源正极相连，石油板阀作为电解阳极；
(3)将一铅板采用夹具固定后，浸入稀硫酸电解液中，夹具与电源负极相连，铅板作为电解阴极；
(4)接通电解槽内温控设备的电源，使电解槽内的温度降至3～4℃；
(5)接通电解液搅拌设备电源；
(6)接通电源，所述电解阳极和电解阴极得电，并控制电源电压在40V～60V，开始的电流密度控制在为0.5A/dm2，在20分钟内分5次逐步升高到2.5A/dm2，之后保持电流密度为2.5A/dm2，整个电解氧化过程时间控制在1h，在石油板阀表面形成35微米厚的Al2O3陶瓷层；
(7)待步骤(6)完成后，关闭电解槽正负极电源，待工件温度与室温一致时，关闭搅拌设备以及温控设备的电源，利用专用夹具取出工件；
(8)将经步骤(7)取出的零件在封闭溶液中进行封闭处理，封闭温度为55℃，封闭时间为30min，封闭溶液选用质量分数为5％、PH值在5.5的重铬酸钾溶液；
(9)将经步骤(8)处理后的零件从封闭溶液中取出后，清洗掉外表面附着的溶液，得到耐磨耐腐蚀的石油板阀。
对铝合金石油组合阀通过自生长陶瓷层进行防腐耐磨处理，具体包括以下步骤：
(1)将待处理的铝合金石油组合阀在超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗处理后的铝合金石油组合阀表面用无纺布或人造吸水布擦拭干净；
(2)将经步骤(1)处理后的铝合金石油组合阀采用专用夹具固定后浸入盛满稀硫酸的电解槽中，并将夹具与电源正极相连，石油组合阀作为电解阳极；
(3)将一铅板采用专用夹具固定后，浸入步骤(2)的稀硫酸电解液中，夹具与电源负极相连，铅板作为电解阴极；
(4)接通电解槽内温控设备的电源，使电解槽内的温度降至5～6℃；
(5)接通电解液搅拌设备电源；
(6)接通电源，所述电解阳极和电解阴极得电，并控制电源电压在60V～90V，开始的电流密度控制在为0.5A/dm2，在20分钟内分8次逐步升高到2.5A/dm2，之后保持电流密度为2.5A/dm2，整个电解氧化过程时间控制在3h，最终在铝合金石油组合阀表面形成76微米厚的Al2O3陶瓷层；
(7)待步骤(6)完成后，关闭电解槽正负极电源，待工件温度与室温一致时，关闭搅拌设备以及温控设备的电源，利用专用夹具取出工件。
(8)将经步骤(7)取出的零件在封闭溶液中进行封闭处理，封闭温度为65℃，封闭时间，封闭时间为40min，封闭溶液选用质量分数为5％、PH值在6.5的重铬酸钾溶液；
(9)将经步骤(8)处理后的零件从封闭溶液中取出后，清洗掉外表面附着的溶液，得到耐磨耐腐蚀的铝合金石油组合阀。
最后作为对比，将上述方法处理后的石油板阀、石油组合阀与传统处理工艺即低成本材质制备和不锈钢材质制备的阀门作为对比例，与本发明的实施方案进行对比，对比结果见表2。
表2 石油板阀、组合阀处理后检验结果及对比
通过本发明所述方法形成的自生长陶瓷涂层，具有较高的表面显微硬度(950HV以上)和较强的耐腐蚀性能，且能够很好的满足石油行业的耐磨性能要求，大大的提高了石油阀门类零件的使用寿命，且本发明所提供的表面处理工艺对温度、电源电压等的要求较低，简化了工艺操作复杂性，在室温环境下有效保留了基体工件的材料力学性能，能够广泛推广应用于石油阀门类零件工作表面处理技术领域。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。

Claims (1)

1.一种铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，将待处理的铝基阀门类零件在盛有清洗溶液的超声波清洗槽中进行表面清洗，清洗完成后用非纤维编制软布将零件表面擦拭干净，所述的清洗溶液为无水乙醇和丙酮的混合溶液，无水乙醇和丙酮的混合体积比为3:1；
步骤二，将清洗后的铝基阀门类零件采用第一夹具固定后浸入盛满电解液的电解槽中，并将第一夹具与电解槽电源的正极相连，铝基阀门类零件作为电解阳极，所述的电解液是浓度在10～15％的稀硫酸溶液；
将一铅板采用第二夹具固定后浸入盛满电解液的电解槽中，并将第二夹具与电解槽电源的负极相连，铅板作为电解阴极；
步骤三，开启电解槽的温控设备，将电解槽内电解液的温度控制在室温以下，并开启电解槽的电解液搅拌设备；
步骤四，接通电解槽电源，并将电源电压控制在40～90V，电解开始时先将电解槽内的电流密度控制在0 .5A/dm2，然后在20～25分钟内分5～8次逐步将电流密度升高到2 .5A/dm2，之后保持电解槽内的电流密度为2 .5A/dm2，电解1～3小时，铝基阀门类零件表面自生长形成厚度为20～100微米的三氧化二铝陶瓷层；硬度在800～1700HV；
步骤五，关闭电解槽电源，待铝基阀门类零件温度降至室温时，关闭电解槽的温控设备和电解液搅拌设备，并从电解槽中取出铝基阀门类零件；
步骤六，将步骤五中的铝基阀门类零件放入封闭溶液中进行封闭处理，封闭温度为55～65℃，封闭时间为30～40min，封闭处理完成后取出，并清洗、烘干，完成铝基阀门类零件表面的耐磨耐腐蚀处理，所述的封闭溶液选用质量分数为5％，pH 值在5 .5～6 .5的重铬酸钾溶液；
步骤一中所述的非纤维编制软布是指无纺布或人造吸水布；
步骤三中所述的开启电解槽的温控设备，将电解槽内电解液的温度控制在室温以下，是指控制在3～6℃；
步骤三和步骤五中所述的电解液搅拌设备是指压缩空气搅拌器。
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