CN110863166B - 一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及新材料加工技术领域，公开了一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，通过对应力腐蚀开裂特征以及复合材料性能的研究，不仅从内部因素解决现有奥氏体不锈钢材质的阀门耐应力腐蚀不佳的问题，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.2‑0.3微米的抗应力腐蚀涂层，制备得到的碳基功能化复合材料应力腐蚀敏感度极低，能够将腐蚀液体阻隔在晶界以外，遏制了微裂纹的形成，提高阀门的抗应力腐蚀寿命；本发明能够显著提高奥氏体不锈钢阀门的抗应力腐蚀性能，解决现有阀门用耐腐蚀涂层寿命短、防护性不稳定的问题，经济效益和社会效益较显著提高。
Description
技术领域
本发明属于新材料加工技术领域，具体涉及一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法。
背景技术
奥氏体不锈钢，是指在常温下具有奥氏体组织的不锈钢。钢中含Cr约18%、Ni 8%~10%、C约0.1%时，具有稳定的奥氏体组织。奥氏体铬镍不锈钢包括著名的18Cr-8Ni钢和在此基础上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素发展起来的高Cr-Ni系列钢。奥氏体不锈钢无磁性而且具有高韧性和塑性，但强度较低，不可能通过相变使之强化，仅能通过冷加工进行强化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，则具有良好的易切削性。
在阀门制造中应用最广泛的材料为奥氏体不锈钢。奥氏体不锈钢的组织为面心立方结构，常规环境下不会发生脆性转变现象，但处于导致应力腐蚀的高压、强酸等环境下，很容易产生应力集中，会发生脆性断裂，韧性也会随着裂纹的发展而逐渐下降。并且在使用过程中，随着应力腐蚀的加剧，裂纹生长经常会发生突发性破坏，严重影响工业生产的进行，并且会造成巨大的危害和损失。所以提高奥氏体不锈钢阀门的抗应力腐蚀性能势在必行。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，遏制了微裂纹的形成，提高阀门的抗应力腐蚀寿命。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其优选方案为，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.2-0.3微米的抗应力腐蚀涂层；
制备碳基功能化复合材料：（1）称取7.5-8.0克石墨粉，在搅拌下，加入到装有70-80毫升浓硫酸的烧杯中，搅拌过程中使用冰水浴冷却，待温度稳定在10-15℃时，向烧杯中加入2.3-2.5克高锰酸钾和30-35毫升碳酸钾水溶液，搅拌均匀，反应50-60分钟，进行过滤，得到固体产物使用去离子水洗涤2-3次，在70-80℃烘箱中干燥8-10小时，然后送入马弗炉中煅烧1-2小时，煅烧温度为780-800℃，冷却至常温得到改性石墨碳材料，该材料具有极好的化学惰性，同时片层结构密质，能够阻止腐蚀液与不锈钢金属的接触；其中，所述浓硫酸质量浓度为95-98%，所述碳酸钾水溶液质量浓度为20-24%。
（2）依次称取5.5-5.7毫摩四氯化锆、2.0-2.4克硅酸钠，置于烧杯中，向烧杯中加入45-50毫升摩尔浓度为1.5-2.0摩尔/升的醋酸水溶液，在15-20℃下磁力搅拌30-40分钟，向烧杯中加入10-15毫升乙二胺和步骤（1）制备得到的改性石墨碳材料，升温至60-65℃，持续搅拌30-40分钟，加入25-30毫升乙二醇，搅拌均匀，转移至反应釜中，升温至190-200℃，反应5-6小时，反应结束后自然冷却至室温，产物使用去离子水和乙醇依次洗涤4-6次，然后置于50-60℃真空干燥箱中干燥10-15小时，得到粒径大小在35-45纳米之间的碳基功能化复合材料。
本发明所制备得到的碳基功能化复合材料具有超疏水结构，液体接触角为110-115°，耐冲蚀性强，在交变应力下，依然能够保持较高的耐腐蚀稳定性，使其低于奥氏体不锈钢的应力腐蚀临界值，起到了极好的防止发生应力腐蚀开裂以及腐蚀疲劳失效的防护作用。
本发明中等离子喷涂的工艺参数为：喷涂功率为30-33kW，载气为氩气，气流量为55-60立方分米/分钟，喷涂距离为7-8厘米。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决奥氏体不锈钢阀门由于应力腐蚀作用造成阀门开裂的问题，本发明提供了一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，通过对应力腐蚀开裂特征以及复合材料性能的研究，不仅从内部因素解决现有奥氏体不锈钢材质的阀门耐应力腐蚀不佳的问题，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.2-0.3微米的抗应力腐蚀涂层，制备得到的碳基功能化复合材料粉末具有超疏水结构，应力腐蚀敏感度极低，能够将腐蚀液体阻隔在晶界以外，遏制了微裂纹的形成，提高阀门的抗应力腐蚀寿命；本发明能够显著提高奥氏体不锈钢阀门的抗应力腐蚀性能，解决现有阀门用耐腐蚀涂层寿命短、防护性不稳定的问题，经济效益和社会效益较显著提高。本发明有效解决了奥氏体不锈钢阀门由于应力腐蚀作用造成阀门开裂的问题，具有低成本、低能耗、高性能的特点，有助于不锈钢系列阀门产品各方面性能的均衡改善，能够实现提高阀门工业制造以及提高市场竞争力的现实意义，对于防腐新型复合材料研究具有较高价值，显著促进现代化工业领域快速发展以及资源可持续发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明所提供的技术方案。
实施例1
一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其优选方案为，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.2微米的抗应力腐蚀涂层；
首先，制备碳基功能化复合材料：（1）称取7.5克石墨粉，在搅拌下，加入到装有70毫升浓硫酸的烧杯中，搅拌过程中使用冰水浴冷却，待温度稳定在10℃时，向烧杯中加入2.3克高锰酸钾和30毫升碳酸钾水溶液，搅拌均匀，反应50分钟，进行过滤，得到固体产物使用去离子水洗涤2次，在70℃烘箱中干燥8小时，然后送入马弗炉中煅烧1小时，煅烧温度为780℃，冷却至常温得到改性石墨碳材料；其中，所述浓硫酸质量浓度为95%，所述碳酸钾水溶液质量浓度为20%。（2）依次称取5.5毫摩四氯化锆、2.0克硅酸钠，置于烧杯中，向烧杯中加入45毫升摩尔浓度为1.5摩尔/升的醋酸水溶液，在15℃下磁力搅拌30分钟，向烧杯中加入10毫升乙二胺和步骤（1）制备得到的改性石墨碳材料，升温至60℃，持续搅拌30分钟，加入25毫升乙二醇，搅拌均匀，转移至反应釜中，升温至190℃，反应5小时，反应结束后自然冷却至室温，产物使用去离子水和乙醇依次洗涤4次，然后置于50℃真空干燥箱中干燥10小时，得到粒径大小在35-45纳米之间的碳基功能化复合材料。
然后，采用等离子喷涂方法将碳基功能化复合材料涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，本发明中等离子喷涂的工艺参数为：喷涂功率为30kW，载气为氩气，气流量为55立方分米/分钟，喷涂距离为7厘米。
实施例2
一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其优选方案为，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.25微米的抗应力腐蚀涂层；
首先，制备碳基功能化复合材料：（1）称取7.8克石墨粉，在搅拌下，加入到装有75毫升浓硫酸的烧杯中，搅拌过程中使用冰水浴冷却，待温度稳定在12℃时，向烧杯中加入2.4克高锰酸钾和33毫升碳酸钾水溶液，搅拌均匀，反应55分钟，进行过滤，得到固体产物使用去离子水洗涤2次，在75℃烘箱中干燥9小时，然后送入马弗炉中煅烧1.5小时，煅烧温度为790℃，冷却至常温得到改性石墨碳材料，该材料具有极好的化学惰性，同时片层结构密质，能够阻止腐蚀液与不锈钢金属的接触；其中，所述浓硫酸质量浓度为96%，所述碳酸钾水溶液质量浓度为22%。（2）依次称取5.6毫摩四氯化锆、2.2克硅酸钠，置于烧杯中，向烧杯中加入48毫升摩尔浓度为1.8摩尔/升的醋酸水溶液，在18℃下磁力搅拌35分钟，向烧杯中加入12毫升乙二胺和步骤（1）制备得到的改性石墨碳材料，升温至63℃，持续搅拌35分钟，加入28毫升乙二醇，搅拌均匀，转移至反应釜中，升温至195℃，反应5.5小时，反应结束后自然冷却至室温，产物使用去离子水和乙醇依次洗涤5次，然后置于55℃真空干燥箱中干燥12小时，得到粒径大小在35-45纳米之间的碳基功能化复合材料。
然后，采用等离子喷涂方法将碳基功能化复合材料涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，本发明中等离子喷涂的工艺参数为：喷涂功率为31kW，载气为氩气，气流量为58立方分米/分钟，喷涂距离为7.5厘米。
实施例3
一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其优选方案为，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.3微米的抗应力腐蚀涂层；
首先，制备碳基功能化复合材料：（1）称取8.0克石墨粉，在搅拌下，加入到装有80毫升浓硫酸的烧杯中，搅拌过程中使用冰水浴冷却，待温度稳定在15℃时，向烧杯中加入2.5克高锰酸钾和35毫升碳酸钾水溶液，搅拌均匀，反应60分钟，进行过滤，得到固体产物使用去离子水洗涤3次，在80℃烘箱中干燥10小时，然后送入马弗炉中煅烧2小时，煅烧温度为800℃，冷却至常温得到改性石墨碳材料，该材料具有极好的化学惰性，同时片层结构密质，能够阻止腐蚀液与不锈钢金属的接触；其中，所述浓硫酸质量浓度为98%，所述碳酸钾水溶液质量浓度为24%。（2）依次称取5.7毫摩四氯化锆、2.4克硅酸钠，置于烧杯中，向烧杯中加入50毫升摩尔浓度为2.0摩尔/升的醋酸水溶液，在20℃下磁力搅拌40分钟，向烧杯中加入15毫升乙二胺和步骤（1）制备得到的改性石墨碳材料，升温至65℃，持续搅拌40分钟，加入30毫升乙二醇，搅拌均匀，转移至反应釜中，升温至200℃，反应6小时，反应结束后自然冷却至室温，产物使用去离子水和乙醇依次洗涤6次，然后置于60℃真空干燥箱中干燥15小时，得到粒径大小在35-45纳米之间的碳基功能化复合材料。
然后，采用等离子喷涂方法将碳基功能化复合材料涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，本发明中等离子喷涂的工艺参数为：喷涂功率为33kW，载气为氩气，气流量为60立方分米/分钟，喷涂距离为8厘米。
其中，实施例1-3制备的奥氏体不锈钢阀门材料均采用18Cr-8Ni钢材料加工制备得到。
将实施例1-3制备得到的抗应力腐蚀阀门使用质量浓度为20%的盐酸酸蚀，处理温度为60℃，处理时间为300小时，结果均没有出现孔蚀、晶界应力腐蚀开裂等不良现象。
本发明有效解决了奥氏体不锈钢阀门由于应力腐蚀作用造成阀门开裂的问题，具有低成本、低能耗、高性能的特点，有助于不锈钢系列阀门产品各方面性能的均衡改善，能够实现提高阀门工业制造以及提高市场竞争力的现实意义，对于防腐新型复合材料研究具有较高价值，显著促进现代化工业领域快速发展以及资源可持续发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。
Claims (6)
1.一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其特征在于，将制备得到的碳基功能化复合材料粉末通过等离子喷涂方法涂覆在奥氏体不锈钢阀门表面，形成厚度为0.2-0.3微米的抗应力腐蚀涂层，所述碳基功能化复合材料的制备方法包括以下步骤：
（1）称取7.5-8.0克石墨粉，在搅拌下，加入到装有70-80毫升浓硫酸的烧杯中，搅拌过程中使用冰水浴冷却，待温度稳定在10-15℃时，向烧杯中加入2.3-2.5克高锰酸钾和30-35毫升碳酸钾水溶液，搅拌均匀，反应50-60分钟，进行过滤，得到固体产物使用去离子水洗涤2-3次，在70-80℃烘箱中干燥8-10小时，然后送入马弗炉中煅烧1-2小时，煅烧温度为780-800℃，冷却至常温得到改性石墨碳材料；
（2）依次称取5.5-5.7毫摩四氯化锆、2.0-2.4克硅酸钠，置于烧杯中，向烧杯中加入45-50毫升醋酸水溶液，在15-20℃下磁力搅拌30-40分钟，向烧杯中加入10-15毫升乙二胺和步骤（1）制备得到的改性石墨碳材料，升温至60-65℃，持续搅拌30-40分钟，加入25-30毫升乙二醇，搅拌均匀，转移至反应釜中，升温至190-200℃，反应5-6小时，反应结束后自然冷却至室温，产物使用去离子水和乙醇依次洗涤4-6次，然后置于50-60℃真空干燥箱中干燥10-15小时，得到碳基功能化复合材料粉末。
2.如权利要求1所述一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其特征在于，步骤（1）所述浓硫酸质量浓度为95-98%。
3.如权利要求1所述一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其特征在于，步骤（1）所述碳酸钾水溶液质量浓度为20-24%。
4.如权利要求1所述一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其特征在于，步骤（2）所述醋酸水溶液摩尔浓度为1.5-2.0摩尔/升。
5.如权利要求1所述一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其特征在于，步骤（2）所述碳基功能化复合材料粉末粒径大小在35-45纳米之间。
6.如权利要求1所述一种提高奥氏体不锈钢阀门抗应力腐蚀的方法，其特征在于，所述等离子喷涂的工艺参数为：喷涂功率为30-33kW，载气为氩气，气流量为55-60立方分米/分钟，喷涂距离为7-8厘米。
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Denomination of invention: A method to improve the stress corrosion resistance of austenitic stainless steel valves Granted publication date: 20220913 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Hexian Branch Pledgor: HEXIAN KEJIA VALVE CASTING Co.,Ltd. Registration number: Y2024980009150 |
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