CN111270186B - 一种金刚石-铁基复合涂层及其作为高温阀门的密封层的应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种金刚石‑铁基复合涂层及其作为高温阀门的密封层的应用，其中金刚石‑铁基复合涂层的原料包括预涂覆金刚石粉和铁基自溶性合金粉，其组成按质量百分比构成为：预涂覆金刚石粉30％～35％，C 0.6％～0.8％，Cr 18％～25％，B 3％～5％，Si 2％～4％，其他金属和非金属元素3.0％～4.0％，余量为Fe。本发明金刚石‑铁基复合涂层为密封层的高温阀门使阀门具有良好的导热性、密封性和耐磨性以及防腐蚀性。

Description

一种金刚石-铁基复合涂层及其作为高温阀门的密封层的 应用

技术领域

本发明涉及一种金刚石-铁基复合涂层及其作为高温阀门的密封层的应用。

背景技术

随着工业水平的提高，对阀门的需求越来越多，同时对阀门的要求也越来越严格，要求阀门具有更好的导热性、耐磨性和密封性。对于一些高温、高压、有腐蚀介质的特殊环境下工作的阀门，同时也要求具有良好的耐腐蚀性。在造成阀门失效的众多因素中，磨损是其中最重要的原因之一，经常给企业造成严重的经济损失，有时甚至会造成严重的安全事故。阀门中最容易磨损的部位就是阀门的密封面，密封面是阀门最重要的工作部位之一，其质量的好坏，直接关系着阀门的使用寿命。阀门在使用过程中，处在较高温度和较高的流体压力下，阀门经常启闭，由于密封面间的相互摩擦、挤压、剪切，以及流体的冲刷和腐蚀等作用，使密封面极易受到损伤，一旦密封面损伤，阀门将会产生泄露，就失去了阀门的使用功能，成为废品。而更换阀门会严重影响企业的生产效率，特别是对于电力、锅炉等特殊环境下工作的阀门，需要阀门长时间服役而不更换，对于使用寿命和安全性的要求很高。

目前高温阀门主要是以201、304等不锈钢为主，或在阀门密封面部位堆焊一层具有特殊性能的合金，这些阀门在正常条件下的防腐蚀能力不错，但是在一些高温、高压、有腐蚀介质的特殊环境下工作时，容易被腐蚀，寿命缩短，密封性下降，易造成大量的资源损失和资源浪费，甚至产生严重的事故。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，旨在提供一种金刚石-铁基复合涂层及其作为高温阀门的密封层的应用。本发明金刚石-铁基复合涂层具有硬度高、耐磨、耐蚀、成本低、密封性好的优点。经过实验发现，应用本金刚石-铁基复合涂层的阀门的密封性能比现有阀门的密封性提高了30％以上，抗腐蚀性能提高了17％以上。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明金刚石-铁基复合涂层，其原料包括预涂覆金刚石粉和铁基自溶性合金粉，其组成按质量百分比构成为：预涂覆金刚石粉30％～35％，C 0.6％～0.8％，Cr 18％～25％，B 3％～5％，Si 2％～4％，其他金属和非金属元素3.0％～4.0％，余量为Fe。

所述预涂覆金刚石粉为表面覆有过渡层的金刚石粉，其中过渡层的质量占预涂覆金刚石粉质量的21～40％；过渡层的组织是连续致密的TiHf合金基体，在TiHf合金基体中存在TiC和HfC，在过渡层中占比按重量百分比为：10～20％TiC和1～3％HfC。

所述预涂覆金刚石粉是由金刚石粉与Ti粉、Hf粉混合后于真空度10^-3～10^-4MPa、800～1000℃下煅烧0.5～1h得到的。具体包括如下步骤：

将金刚石粉与Ti粉和Hf粉混合，其中Ti粉、Hf粉的质量为金刚石粉质量的21％～40％、2％～5％，Ti粉和Hf粉的粒径为75um、50um；将混合后的粉末研磨均匀，使金刚石粉表面与Ti粉和Hf粉充分接触，然后在真空度10^-3～10^-4MPa、800～1000℃下煅烧0.5～1h，之后通过过筛将金刚石粉与多余的Ti、Hf粉分离，得到表面覆有过渡层的预涂覆金刚石粉。

所述铁基自溶性合金粉按重量百分比构成为：C 0.6％～1.0％，Cr 20％～25％，B0.8％～1.02％，Si 2％～3％，余量为Fe。

所述预涂覆金刚石粉的粒径为178～250μm；所述铁基自溶性合金粉的粒径为120～150μm。

本发明金刚石-铁基复合涂层的应用，是将其通过等离子喷焊涂敷于高温阀门密封面的表面，形成复合熔覆涂层与钢基材相结合，以作为高温阀门的密封层。

所述钢基材为Cr12MoV钢。

预涂覆金刚石粉和铁基自溶性合金粉经两个送粉器分别同时送粉，等离子喷焊的工艺参数设置如下：

电流140～160A，行走速度60～80mm/min，摆动频率15～20min^-1，摆动宽度16～18mm，铁基自溶性合金粉送粉速度35～40g/min，预涂覆金刚石粉送粉速度10～12g/min，等离子气体Ar7～9L/min，送粉气体Ar11～14L/min，保护气体Ar15～17L/min。

本发明制造工件表面覆层分为两步：首先将Ti粉、Hf粉与金刚石粉煅烧，生成Ti/TiC、Hf/HfC等包裹于金刚石颗粒表面，该层置于铁-金刚石界面间，在后续的制备过程中充当反应障碍层，能起到保护金刚石的作用，防止颗粒过度损伤和完全分解。等离子喷焊的方法具有熔化速度快，高温停留时间短，界面反应较少，且气氛保护可防止氧化、脱碳、夹杂等缺陷产生的优点，且设备相对便宜，因此选此方法制备复合涂层。

表面熔敷的复合材料的性能也取决于复合材料中作为粘结相的钢的成分。本发明所制备的表面熔敷的复合材料中作为粘结相的钢中加入了适当的合金元素，具体分析如下：

C的含量在0.60-0.80wt％(重量百分比，下同)之间，可保证钢基体相有好的强度、韧性的配合，使其可以支撑金刚石粒子和保证复合材料韧性；18％及以上的Cr可以提高钢的耐蚀性、耐热性、强度，能较明显提高钢的冲击韧性，可提高钢的抗氧化性；B，Si降低合金熔点和熔池表面张力、提高熔池流动性、改善熔池润湿性，提高涂层表面成型性，还能起到脱氧造渣的作用；Mo、Ti、V可细化晶粒，Ni能大大提高钢的淬透性和耐蚀性，Mn能提高合金硬度，RE可净化、细化晶粒，改善金刚石与钢的界面结合。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1、金刚石是目前人类发现的硬度最高的超硬材料，它是由碳原子以共价键键合成的立方结构晶体，具有高的硬度、刚性以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性。因此，用金刚石-铁基复合涂层作为阀门的密封层可以使密封层具有很高的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性，能很好地满足阀门性能的要求。同时基体Cr12MoV钢具有淬透性好、硬度高、耐磨性好、热处理变形小等优点。

2、本发明高温阀门复合涂层以金刚石颗粒为硬质相颗粒组成金刚石-钢复合材料涂层。金刚石具有良好的导热性、耐磨性，而过渡层的存在可以很好地使金刚石在反应过程中保留下来，最后在复合涂层中形成金刚石的硬质相，使高温阀门具有良好的耐磨性能和导热性能，并且在阀门的旋转过程中保持良好的密封性。同时由于复合涂层中含有Cr、Ti、Hf等元素，使阀门的密封面具有良好的耐腐蚀，耐擦伤，耐冲蚀，抗氧化能力，可以使密封面在使用过程中不容易受到损坏，可以延长阀门的使用寿命。

3、本发明复合材料制备中，采用真空镀制备被Ti/TiC、Hf/HfC过渡层包裹的金刚石粉，该过渡层不仅能填补金刚石本身的微孔隙和裂纹，还能降低金刚石的界面能，提高金刚石与基体金属之间的浸润能力，可以形成金刚石颗粒与金属的紧密结合。而且还能保护维持金刚石原始的物理性能，在后续的反应中，过渡层可以隔离保护金刚石，防止金刚石的石墨化。

4、本发明复合材料采用热喷涂或热喷焊或激光熔敷等表面涂敷方法涂敷于基材表面，使其与基材结合，工艺简单、成本低。

具体实施方式

以下通过具体实施例对本发明技术方案作进一步描述。

表1实施例1-7中金刚石-铁基合金层的原料按质量百分比构成如下：

本发明实施例中钢基材为Cr12MoV，预涂覆金刚石粉的粒径为178～250μm，Ti粉的粒径为60～80μm，Hf粉的粒径为50～70μm，铁基自溶性合金粉的粒径为120～150μm。

实施例1：

本实施例配料见表1。

1、预涂覆金刚石粉的制备

将金刚石与Ti粉、Hf粉(纯度99％以上)均匀混合，装入密封的石英试管中，抽真空至10^-3Pa，然后将试管置于电阻炉中加热至900℃保温1h，之后采用200目标准筛将金刚石与Ti粉、Hf粉分离，得到预涂覆金刚石粉。合金层质量占预涂覆金刚石粉质量的21％～40％。

2、等离子喷焊

将铁基自溶性合金粉和预涂覆金刚石粉分别送粉，经等离子喷焊的方法涂敷于钢基材表面，形成复合熔覆层，使其与钢基材结合。

堆焊工艺参数如下：电流150A，行走速度70mm/min，摆动频率22min^-1，摆动宽度18mm，铁基自溶性合金粉送粉速度35g/min，预涂覆金刚石粉送粉速度12g/min，等离子气体Ar7L/min，送粉气体Ar11L/min，保护气体Ar 16L/min。

实施例2：

本实施例配料见表1。

1、预涂覆金刚石粉的制备

将金刚石与Ti、Hf粉(纯度99％以上)均匀混合，装入密封的石英试管中，抽真空至10^-3Pa，然后将试管置于电阻炉中加热至900℃保温1h，之后采用200目标准筛将金刚石与Ti、Hf粉分离，得到预涂覆金刚石粉。过渡层质量占预涂覆金刚石粉质量的21％～40％。

2、等离子喷焊

将铁基自溶性合金粉和预涂覆金刚石粉分别送粉经等离子喷焊的方法涂敷于钢基材表面，形成复合熔覆层，使其与钢基材结合。

堆焊工艺参数如下：电流150A，行走速度70mm/min，摆动频率22min^-1，摆动宽度18mm，铁基自溶性合金粉送粉速度35g/min，预涂覆金刚石粉送粉速度12g/min，等离子气体Ar7L/min，送粉气体Ar11L/min，保护气体Ar16L/min。

实施例3：

本实施例配料见表1。

本实施例制备方法同实施例2。过渡层质量占预涂覆金刚石粉质量的21％～40％。

实施例4：

本实施例配料见表1。

本实施例制备方法同实施例2。过渡层质量占预涂覆金刚石粉质量的21％～40％。

实施例5：

本实施例配料见表1。

本实施例制备方法同实施例2。过渡层质量占预涂覆金刚石粉质量的21％～40％。

实施例1中金刚石粉末在涂层中起到了很好地作用，可以在涂层金相组织中观察到完整的金刚石颗粒，观察金刚石复合涂层的低倍SEM照片，发现涂层内组织致密，未出现裂纹，并且在涂层表面包镶有大量棱角分明的金刚石颗粒，且颗粒与胎体金属间结合良好未出现金刚石脱落现象。胎体金属的延展性良好，对金刚石颗粒形成了充分的包覆，所以对金刚石颗粒把持牢固，不容易脱落。Cr的重量百分含量为18.5％，可以保证熔覆层合金具有好的耐蚀性和抗氧化性。在硬度实验中，测得实施例1的硬度值为700HV_0.2；在热疲劳实验中，空冷55次未裂；在抗气蚀实验中，实施例1的失重率为0.350mg/h，而电站目前所用的SF-6阀门的失重率为0.465mg/h；在做高温抗擦伤实验的过程中，在比压60mpa，高温570℃，擦伤次数10次的情况下，实施例1的擦深比130μm/m，而电站所用的SF-6为141.67μm/m；在抗腐蚀实验中，实施例1的抗三酸一碱的常温实验性能也比现在电厂所用阀门性能要好，在200小时以后，实施例1的腐蚀量仅为SF-6的五分之四。通过实验发现实施例1的密封性比现在电厂所用阀门提高了10％，抗腐蚀性能提高了20％。

实施例2中金刚石量较第一组增加，硬质颗粒对复合材料的增强作用明显提高，抗磨能力较之第一组好。加入一定量Si等元素，可提高复合材料的耐热性，同时C量略有降低，可提高复合材料的韧性，结果将导致复合材料抗热疲劳性能的提高；Mo有强化作用，Ti、V有细化晶粒、提高强度和塑韧性的作用；RE可净化、细化组织。在某些表面熔覆工件工作时，工件表面会反复受到加热、激冷的作用，热疲劳剥落和断裂是其主要失效形式之一，而上述成分的复合材料可具有较好的抗热疲劳剥落和断裂的能力。在硬度实验中，测得实施例2的硬度值为715HV_0.2；在热疲劳实验中，空冷54次未裂；在抗气蚀实验中，实施例2的失重率为0.335mg/h，而电站目前所用的SF-6阀门的失重率为0.465mg/h；在做高温抗擦伤实验的过程中，在比压60mpa，高温570℃，擦伤次数10次的情况下，实施例2的擦深比120μm/m，而电站所用的SF-6为141.67μm/m；在抗腐蚀实验中，把实施例2的抗三酸一碱的常温实验性能也比现在电厂所用阀门性能要好，在200小时以后，实施例2的腐蚀量仅为SF-6的82％。通过实验发现实施例2的密封性比现在电厂所用阀门提高了15％，抗腐蚀性能提高了25％

实施例3中金刚石量较第二组进一步增加，硬质颗粒对复合材料的增强作用提高，抗磨能力较之第二组好。由于加入的Cr、Mo等元素比第二组多，可提高复合材料的耐热性及抗热疲劳剥落和断裂的能力。但由于Mn量也减为0，复合材料晶粒粗化倾向降低，不致过于粗化。同时增加含碳量，可增加复合材料的硬度。上述复合材料具有较好的耐磨性、抗热疲劳性，成本较第二组低。B含量增加，其熔覆层表面成形性提高，表面质量提高。在硬度实验中，测得实施例3的硬度值为725HV_0.2；在热疲劳实验中，空冷56次未裂；在抗气蚀实验中，实施例3的失重率为0.330mg/h，而电站目前所用的SF-6阀门的失重率为0.465mg/h；在做高温抗擦伤实验的过程中，在比压60mpa，高温570℃，擦伤次数10次的情况下，实施例3的擦深比115μm/m，而电站所用的SF-6为141.67μm/m；在抗腐蚀实验中，实施例3的抗三酸一碱的常温实验性能也比现在电厂所用阀门性能要好，在200小时以后，实施例3的腐蚀量仅为SF-6的80％。对比市面上流通的现有阀门，发现实施例3的密封性比现在电厂所用阀门提高了20％，抗腐蚀性能提高了23％。而实施例3的成本则减少了5％。

实施例4中Cr重量百分含量为18％，折合成熔覆层中金刚石外的基体中Cr重量百分含量与第三组相同，复合材料的硬度、耐磨性很高，但合金元素量大，成本高。大量合金元素存在可明显提高复合材料中作为粘结相的钢的韧性、耐热性、抗热疲劳性，可改善复合材料由于钢的比例下降而牺牲的韧性和抗疲劳性。在硬度实验中，测得实施例4的硬度值为731HV_0.2；在热疲劳实验中，空冷58次未裂；在抗气蚀实验中，实施例4的失重率为0.315mg/h，而电站目前所用的SF-6阀门的失重率为0.465mg/h；在做高温抗擦伤实验的过程中，在比压60mpa，高温570℃，擦伤次数10次的情况下，实施例4的擦深比110μm/m，而电厂所用的SF-6为141.67μm/m；在抗腐蚀实验中，实施例4的抗三酸一碱的常温实验性能也比现在电厂所用阀门性能要好，在200小时以后，实施例4的腐蚀量仅为SF-6的78％。对比市面上流通的现有阀门，发现实施例4的密封性比现在电厂所用阀门提高了25％，抗腐蚀性能提高了26％。实施例5中C量较第四组略有增加，对提高硬度和耐磨性有利，Cr重量百分含量为17.1％，Cr含量较第四组明显增加，对熔覆层的耐蚀性、耐热性、硬度提高有利。测试阀门的密封性发现，比普通阀门密封性要好。在硬度实验中，测得实施例5的硬度值为750HV_0.2；在热疲劳实验中，空冷60次未裂；在抗气蚀实验中，实施例5的失重率为0.310mg/h，而电站目前所用的SF-6阀门的失重率为0.465mg/h；在做高温抗擦伤实验的过程中，在比压60mpa，高温570℃，擦伤次数10次的情况下，实施例5的擦深比111μm/m，而电厂所用的SF-6为141.67μm/m；在抗腐蚀实验中，实施例5的抗三酸一碱的常温实验性能也比现在电厂所用阀门性能要好，在200小时以后，实施例5的腐蚀量仅为SF-6的75％。

本发明的金刚石-铁基复合涂层为密封层的高温阀门在使用过程中比普通的阀门寿命提高2倍以上，并且密封性能提高了30％以上，抗腐蚀性提高17％以上。

Claims (6)

1.一种金刚石-铁基复合涂层，其特征在于：

所述金刚石-铁基复合涂层的原料包括预涂覆金刚石粉和铁基自溶性合金粉，其组成按质量百分比构成为：预涂覆金刚石粉30％～35％，C 0.6％～0.8％，Cr 18％～25％，B3％～5％，Si 2％～4％，其他金属和非金属元素3.0％～4.0％，余量为Fe；

所述预涂覆金刚石粉为表面覆有过渡层的金刚石粉，其中过渡层的质量占预涂覆金刚石粉质量的21～40％；过渡层的组织是连续致密的TiHf合金基体，在TiHf合金基体中存在TiC和HfC，在过渡层中占比按重量百分比为：10～20％TiC和1～3％HfC；

所述预涂覆金刚石粉是由包括如下步骤地方法制备获得：

将金刚石粉与Ti粉和Hf粉混合，其中Ti粉、Hf粉的质量为金刚石粉质量的21％～40％、2％～5％，Ti粉和Hf粉的粒径为75um、50um；将混合后的粉末研磨均匀，使金刚石粉表面与Ti粉和Hf粉充分接触，然后在真空度10^-3～10^-4MPa、800～1000℃下煅烧0.5～1h，之后通过过筛将金刚石粉与多余的Ti、Hf粉分离，得到表面覆有过渡层的预涂覆金刚石粉；

所述金刚石-铁基复合涂层通过等离子喷焊涂敷于高温阀门密封面的表面，形成复合熔覆涂层与钢基材相结合，以作为高温阀门的密封层。

2.根据权利要求1所述的金刚石-铁基复合涂层，其特征在于：

所述铁基自溶性合金粉按重量百分比构成为：C 0.6％～1.0％，Cr 20％～25％，B0.8％～1.02％，Si 2％～3％，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的金刚石-铁基复合涂层，其特征在于：

所述预涂覆金刚石粉的粒径为178～250μm；所述铁基自溶性合金粉的粒径为120～150μm。

4.一种权利要求1-3任一 所述的金刚石-铁基复合涂层的应用，其特征在于：

是将其通过等离子喷焊涂敷于高温阀门密封面的表面，形成复合熔覆涂层与钢基材相结合，以作为高温阀门的密封层。

5.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：

所述钢基材为Cr12MoV钢。

6.根据权利要求4所述的应用，其特征在于：

预涂覆金刚石粉和铁基自溶性合金粉经两个送粉器分别同时送粉，等离子喷焊的工艺参数设置如下：

电流140～160A，行走速度60～80mm/min，摆动频率15～20min^-1，摆动宽度16～18mm，铁基自溶性合金粉送粉速度35～40g/min，预涂覆金刚石粉送粉速度10～12g/min，等离子气体Ar7～9L/min，送粉气体Ar11～14L/min，保护气体Ar15～17L/min。