CN111519124A - 一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及泵的性能研究技术领域，公开了一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，利用镍纳米材料与碳化硅复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42‑0.48毫米之间，界面致密而且结合强度高，复合层中的组合颗粒能够均匀分布在不锈钢泵基体上，且覆盖度高，克服了现有耐磨涂料后加工带来的不融合缺陷，具有较强的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明属于泵的性能研究技术领域，具体涉及一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺。
背景技术
泵是输送流体或使流体增压的机械，它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加。其中泵体材料的选择决定了其使用性能以及使用寿命。不锈钢材料的泵体具有噪音低，寿命长，效率高，价高低等优点，不锈钢泵适用于化工、医药、制碱、涂装等行业上，深受市场的欢迎。
在特殊的使用场合下，由于腐蚀液体的物理和化学同时作用，不锈钢泵需要承受较大强度的冲蚀磨损，不锈钢本体材料无法适应该高工作环境的要求。而最经济的处理方式是对其进行表面强化，常采用在不锈钢泵表面涂覆耐腐蚀涂层的方法提高其耐冲蚀磨损的性能。但由于热物理化学性能的差异，一般属性的金属涂层与不锈钢界面有较大的排斥性，获得的复合涂层耐冲蚀磨损性能效果一般，无法长时间保持完整，一旦出现缺陷，在承受磨损和冲蚀的双重作用下，又加剧了腐蚀的发生，在该工况下，不锈钢泵的使用寿命大大缩减，也造成了修复困难。不仅降低了生产效率，还进一步消耗了大量的金属材料。由此，能够在冲蚀磨损较为严重的工况下，提供一种提高不锈钢泵使用寿命的加工方法极为重要。
发明内容
本发明的目的是针对现有的问题，提供了一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，对高温、酸碱、水和其它化学介质具有腐蚀抗力，可显著提高不锈钢泵体的耐磨性和耐冲蚀性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其中主要技术手段为：利用镍纳米材料与碳化硅细粉复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42-0.48毫米之间，界面致密而且结合强度高，复合层中的组合颗粒能够均匀分布在不锈钢泵基体上，且覆盖度高；
具体的，所述镍纳米材料的制备包括以下工艺步骤：
向烧杯中加入称取的0.84-0.86克的六水合二氯化镍，在搅拌下依次向烧杯中加入15-20毫升去离子水和20-25毫升摩尔浓度为0.75-0.80摩尔/升的氢氧化钠溶液，不断搅拌20-30分钟，转移至圆底烧瓶中，向烧瓶中滴加0.6-0.7毫升乙二胺和1.0-1.3毫升质量浓度为26-30%的醋酸水溶液，超声处理4-5分钟，然后在搅拌下加热至62-64℃，保温3-4小时，将反应物转移至高压反应釜中，震荡摇匀后放入真空干燥箱中，设定反应温度为190-200℃，反应时间为12-16小时，反应结束后，待真空干燥箱冷却至室温后，取出反应釜，得到沉淀反应物使用离心分离器分离出，再分别使用无水乙醇和去离子水依次洗涤6-8次，得到沉淀物质在80-90℃真空干燥箱中干燥6-7小时，经过表征得到粒径大小在16-24纳米之间的镍纳米粉。
所述涂层材料的制备方法为：将制备得到的镍纳米粉与碳化硅细粉按照质量比为1:1.6-1.9的比例置于混料机混合，转移至坩埚中，放入真空烧结炉中，以6-8℃/分钟的速度升温至780-800℃，保温0.5-0.6小时，再以10-12℃/分钟的速度升温至980-1000℃，保温煅烧2-3小时，然后降温至710-720℃，一级回火1-2小时，再360-375℃二级回火3-5小时，随炉自然冷却，再研磨至粒度大小在200-300目之间即可。
所述碳化硅细粉的制备方法为：将二氧化硅研磨至过150-200目筛，以无水乙醇作为介质球墨3-5小时后，转移至坩埚中，烘干、压制成型，送入300-350℃预热下的马弗炉中，以氮气为保护气，升温至1150-1200℃，保温烧结30-35分钟分钟制得碳化硅细粉。
将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺进行涂装，等离子喷涂工艺条件为：喷涂功率为28-30kw，氩气流量为53-55立方分米/分钟，氢气流量为8-10立方分米/分钟，喷涂距离为92-96毫米，喷枪移动速度为7.0-7.5米/分钟。
制备得到的纳米镍/碳化硅复合粉，既避开了单一碳化硅的脆性，又利用了其耐蚀抗磨性，既利用了镍粉的强度韧性，又避开了抗磨性不佳的因素，兼顾了整体复合材料的耐冲蚀磨损性能的要求，并且它与不锈钢金属表面结合性好，粘结强度高，导热系数大，抗震效果好，能够抵御流体所带的固体颗粒对金属表面进行的冲击，二者之间形成防护基体免受磨损腐蚀的隔离界面。
本发明相比现有技术具有以下优点：为了解决一般属性的金属涂层与不锈钢界面有较大的排斥性，获得的复合涂层耐冲蚀磨损性能效果一般，无法适应恶劣工况的问题，本发明提供了一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，利用镍纳米材料与碳化硅复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42-0.48毫米之间，界面致密而且结合强度高，复合层中的组合颗粒能够均匀分布在不锈钢泵基体上，且覆盖度高，克服了现有耐磨涂料后加工带来的不融合缺陷，具有较强的实际应用价值。本发明利用该复合材料制备得到的等离子涂层硬度高，耐磨性强，对高温、酸碱、水和其它化学介质具有腐蚀抗力，可显著提高不锈钢泵体的耐磨性和耐冲蚀性；能够实现不锈钢泵向高性能强度转变以及提高市场竞争力的现实意义，对于增强不锈钢泵的耐蚀性以及抗冲击耐磨性研究具有较高价值，有效解决以不锈钢材料为代表的工业泵易磨损、腐蚀的技术难题，促进新型优良新材料的发展，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
一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其中主要技术手段为：利用镍纳米材料与碳化硅复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42-0.48毫米之间；
具体的，所述镍纳米材料的制备包括以下工艺步骤：
S1：向烧杯中加入称取的0.84克的六水合二氯化镍，在搅拌下依次向烧杯中加入15毫升去离子水和20毫升摩尔浓度为0.75摩尔/升的氢氧化钠溶液，不断搅拌20分钟，转移至圆底烧瓶中，向烧瓶中滴加0.6毫升乙二胺和1.0毫升质量浓度为26%的醋酸水溶液，超声处理4分钟，然后在搅拌下加热至62℃，保温3小时；
S2：将反应物转移至高压反应釜中，震荡摇匀后放入真空干燥箱中，设定反应温度为190℃，反应时间为12小时，反应结束后，待真空干燥箱冷却至室温后，取出反应釜，得到沉淀反应物使用离心分离器分离出，再分别使用无水乙醇和去离子水依次洗涤6次，得到沉淀物质在80℃真空干燥箱中干燥6小时，经过表征得到粒径大小在16-24纳米之间的镍纳米粉。
进一步的，所述涂层材料的制备方法为：将制备得到的镍纳米粉与碳化硅细粉按照质量比为1:1.6的比例置于混料机混合，转移至坩埚中，放入真空烧结炉中，以6℃/分钟的速度升温至780℃，保温0.5小时，再以10℃/分钟的速度升温至980℃，保温煅烧2小时，然后降温至710℃，一级回火1小时，再360℃二级回火3小时，随炉自然冷却，再研磨至粒度大小在200-300目之间即可。
优选的，所述碳化硅细粉的制备方法为：将二氧化硅研磨至过150目筛，以无水乙醇作为介质球墨3小时后，转移至坩埚中，烘干、压制成型，送入300℃预热下的马弗炉中，以氮气为保护气，升温至1150℃，保温烧结30分钟分钟制得碳化硅细粉。
将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺进行涂装，等离子喷涂工艺条件为：喷涂功率为28kw，氩气流量为53立方分米/分钟，氢气流量为8立方分米/分钟，喷涂距离为92毫米，喷枪移动速度为7.0米/分钟。
实施例2
一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其中主要技术手段为：利用镍纳米材料与碳化硅复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42-0.48毫米之间；
具体的，所述镍纳米材料的制备包括以下工艺步骤：
S1：向烧杯中加入称取的0.85克的六水合二氯化镍，在搅拌下依次向烧杯中加入18毫升去离子水和22毫升摩尔浓度为0.78摩尔/升的氢氧化钠溶液，不断搅拌25分钟，转移至圆底烧瓶中，向烧瓶中滴加0.65毫升乙二胺和1.2毫升质量浓度为28%的醋酸水溶液，超声处理4.5分钟，然后在搅拌下加热至63℃，保温3.5小时；
S2：将反应物转移至高压反应釜中，震荡摇匀后放入真空干燥箱中，设定反应温度为195℃，反应时间为14小时，反应结束后，待真空干燥箱冷却至室温后，取出反应釜，得到沉淀反应物使用离心分离器分离出，再分别使用无水乙醇和去离子水依次洗涤7次，得到沉淀物质在85℃真空干燥箱中干燥6.5小时，经过表征得到粒径大小在16-24纳米之间的镍纳米粉。
进一步的，所述涂层材料的制备方法为：将制备得到的镍纳米粉与碳化硅细粉按照质量比为1:1.75的比例置于混料机混合，转移至坩埚中，放入真空烧结炉中，以7℃/分钟的速度升温至790℃，保温0.55小时，再以11℃/分钟的速度升温至990℃，保温煅烧2.5小时，然后降温至715℃，一级回火1.5小时，再368℃二级回火4小时，随炉自然冷却，再研磨至粒度大小在200-300目之间即可。
优选的，所述碳化硅细粉的制备方法为：将二氧化硅研磨至过180目筛，以无水乙醇作为介质球墨4小时后，转移至坩埚中，烘干、压制成型，送入325℃预热下的马弗炉中，以氮气为保护气，升温至1175℃，保温烧结32分钟分钟制得碳化硅细粉。
将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺进行涂装，等离子喷涂工艺条件为：喷涂功率为29kw，氩气流量为54立方分米/分钟，氢气流量为9立方分米/分钟，喷涂距离为94毫米，喷枪移动速度为7.2米/分钟。
实施例3
一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其中主要技术手段为：利用镍纳米材料与碳化硅复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42-0.48毫米之间；
具体的，所述镍纳米材料的制备包括以下工艺步骤：
S1：向烧杯中加入称取的0.86克的六水合二氯化镍，在搅拌下依次向烧杯中加入20毫升去离子水和25毫升摩尔浓度为0.80摩尔/升的氢氧化钠溶液，不断搅拌30分钟，转移至圆底烧瓶中，向烧瓶中滴加0.7毫升乙二胺和1.3毫升质量浓度为30%的醋酸水溶液，超声处理5分钟，然后在搅拌下加热至64℃，保温4小时；
S2：将反应物转移至高压反应釜中，震荡摇匀后放入真空干燥箱中，设定反应温度为200℃，反应时间为16小时，反应结束后，待真空干燥箱冷却至室温后，取出反应釜，得到沉淀反应物使用离心分离器分离出，再分别使用无水乙醇和去离子水依次洗涤8次，得到沉淀物质在90℃真空干燥箱中干燥7小时，经过表征得到粒径大小在16-24纳米之间的镍纳米粉。
进一步的，所述涂层材料的制备方法为：将制备得到的镍纳米粉与碳化硅细粉按照质量比为1:1.9的比例置于混料机混合，转移至坩埚中，放入真空烧结炉中，以8℃/分钟的速度升温至800℃，保温0.6小时，再以12℃/分钟的速度升温至1000℃，保温煅烧3小时，然后降温至720℃，一级回火2小时，再375℃二级回火5小时，随炉自然冷却，再研磨至粒度大小在200-300目之间即可。
优选的，所述碳化硅细粉的制备方法为：将二氧化硅研磨至过200目筛，以无水乙醇作为介质球墨5小时后，转移至坩埚中，烘干、压制成型，送入350℃预热下的马弗炉中，以氮气为保护气，升温至1200℃，保温烧结35分钟分钟制得碳化硅细粉。
将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺进行涂装，等离子喷涂工艺条件为：喷涂功率为30kw，氩气流量为55立方分米/分钟，氢气流量为10立方分米/分钟，喷涂距离为96毫米，喷枪移动速度为7.5米/分钟。
实施例4
与实施例3的区别仅在于，涂层材料的制备：选用粒径大小在15-30纳米之间的纳米氧化镍与碳化硅细粉按照质量比为1:1.9的比例混合即可；其余保持不变。
实施例5
与实施例3的区别仅在于，使用粒径大小在150-200目之间的二氧化硅细粉代替所述碳化硅细粉；其余保持不变。
对比例1
使用配制的镍合金粉末A代替实施例3中的涂层材料，所述镍合金粉末的成分包括：1.0wt％的碳，3.0wt％的硼，3.5wt％的硅，15wt％的铬，2wt％的铁，剩余为镍，其余保持不变。
对比例2
使用配制的镍合金粉末B代替实施例3中的涂层材料，所述镍合金粉末的成分包括：0.7wt％的碳，4.5wt％的硼，5.5wt％的硅，18wt％的铬，0.5wt％的铁，剩余为镍，其余保持不变。
一、性能实验
使用实施例1-5和对比例1-2的方法提高不锈钢泵耐冲蚀磨损性能，对照组涂层材料的成分包括：0.65wt％的碳，2.0wt％的硼，3.0wt％的硅，12wt％的铬，6.5wt％的铁，剩余为镍，采用常规的激光熔覆法喷涂厚度为0.55毫米；将不锈钢块切成25毫米·20毫米·20毫米大小的试样，选择一面作为待喷涂面，按照要求在依次制备不同涂层材料的试验试样，对各组制备的优选试样，进行性能测试（冲蚀性能交替采用5%沸腾盐酸、5%沸腾氢氧化钠腐蚀，流量为25ml/(min·cm2)，各试验36小时），考察涂层性能，试验每个组分别进行3个平行试验，取最终的平均值。试验中保持无关变量一致，进行结果统计分析（实验前利用统计学方法进行试验设计，然后进行试验并记录试验数据，分析得到试验结果，过程中充分利用统计学工具对结果加以最大程度的解释），结果如下表所示：
| 1. 项目 | 2. 涂层致密度（%） | 3. 体积磨损量（mm<sup>3</sup>/h·m2） | 4. 涂层剥落量（mg/m2） |
| 5. 实施例1 | 6. 97.1 | 7. 1.20 | 8. 5.25 |
| 9. 实施例2 | 10. 97.3 | 11. 1.16 | 12. 5.23 |
| 13. 实施例3 | 14. 97.1 | 15. 1.18 | 16. 5.27 |
| 17. 实施例4 | 18. 95.3 | 19. 2.36 | 20. 19.54 |
| 21. 实施例5 | 22. 93.1 | 23. 4.24 | 24. 24.72 |
| 25. 对比例1 | 26. 82.6 | 27. 15.85 | 28. 156.24 |
| 29. 对比例2 | 30. 82.5 | 31. 16.04 | 32. 160.79 |
| 33. 对照组 | 34. 80.4 | 35. 17.67 | 36. 165.14 |
（涂层喷涂前：对不锈钢泵试样表面采用240目砂纸打磨至不锈钢表面出现金属光泽，再用丙酮溶剂清洗不锈钢表面，然后用吹风机吹干。）
本发明利用该复合材料制备得到的等离子涂层硬度高，耐磨性强，对高温、酸碱、水和其它化学介质具有腐蚀抗力，可显著提高不锈钢泵体的耐磨性和耐冲蚀性；能够实现不锈钢泵向高性能强度转变以及提高市场竞争力的现实意义，对于增强不锈钢泵的耐蚀性以及抗冲击耐磨性研究具有较高价值，有效解决以不锈钢材料为代表的工业泵易磨损、腐蚀的技术难题，促进新型优良新材料的发展，是一种极为值得推广使用的技术方案。
Claims (6)
1.一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其特征在于，利用镍纳米材料与碳化硅细粉复合，进一步烧结得到高强度涂层材料，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺涂装至不锈钢泵体表面，形成的复合涂层厚度在0.42-0.48毫米之间；所述镍纳米材料的制备包括以下工艺步骤：
（1）向烧杯中加入称取的0.84-0.86克的六水合二氯化镍，在搅拌下依次向烧杯中加入15-20毫升去离子水和20-25毫升摩尔浓度为0.75-0.80摩尔/升的氢氧化钠溶液，不断搅拌20-30分钟，转移至圆底烧瓶中，向烧瓶中滴加0.6-0.7毫升乙二胺和1.0-1.3毫升质量浓度为26-30%的醋酸水溶液，超声处理4-5分钟，然后在搅拌下加热至62-64℃，保温3-4小时；
（2）将步骤（1）所得反应物转移至高压反应釜中，震荡摇匀后放入真空干燥箱中，设定反应温度为190-200℃，反应时间为12-16小时，反应结束后，待真空干燥箱冷却至室温后，取出反应釜，得到沉淀反应物使用离心分离器分离出，再分别使用无水乙醇和去离子水依次洗涤6-8次，得到沉淀物质在80-90℃真空干燥箱中干燥6-7小时，得到镍纳米材料。
2.如权利要求1所述一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其特征在于，所述碳化硅细粉的制备方法为：将二氧化硅研磨至过150-200目筛，以无水乙醇作为介质球墨3-5小时后，转移至坩埚中，烘干、压制成型，送入300-350℃预热下的马弗炉中，以氮气为保护气，升温至1150-1200℃，保温烧结30-35分钟分钟制得碳化硅细粉。
3.如权利要求1所述一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其特征在于，所述涂层材料的制备方法为：将制备得到的镍纳米材料与碳化硅细粉按照质量比为1:1.6-1.9的比例置于混料机混合，转移至坩埚中，放入真空烧结炉中，以6-8℃/分钟的速度升温至780-800℃，保温0.5-0.6小时，再以10-12℃/分钟的速度升温至980-1000℃，保温煅烧2-3小时，然后降温至710-720℃，一级回火1-2小时，再360-375℃二级回火3-5小时，随炉自然冷却，再研磨至粒度大小在200-300目之间即可。
4.如权利要求1所述一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其特征在于，将制备得到的涂层材料使用等离子喷涂工艺进行涂装，等离子喷涂工艺条件为：喷涂功率为28-30kw，氩气流量为53-55立方分米/分钟，氢气流量为8-10立方分米/分钟，喷涂距离为92-96毫米，喷枪移动速度为7.0-7.5米/分钟。
5.如权利要求1所述一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其特征在于，步骤（1）所述氢氧化钠溶液摩尔浓度为0.75-0.80摩尔/升。
6.如权利要求1所述一种耐冲蚀磨损的不锈钢泵体加工工艺，其特征在于，所述制备得到的镍纳米材料粒径大小在16-24纳米之间。
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2020
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