CN1210497C - 水轮机、水轮机的部件以及制造该水轮机的方法 - Google Patents

Abstract

一种泵和水轮机其具有如此之好的抗磨损性和抗腐蚀性以致于其可以在流体中含有沙石的情况下使用，及制造该泵和水轮机的方法。一泵的部件和一水轮机的部件的高速水流接触的面上涂敷有一高硬度的火焰涂敷表面膜，难于火焰涂敷的面或低速水流接触的面上涂敷一Ni合金表面膜。

Description

水轮机、水轮机的部件以及制造该水轮机的方法

技术领域

本发明涉及一种具有极好抗腐蚀性的泵和水轮机，以及制造该泵和水轮机的方法。

背景技术

近年来，泵和水轮机越来越多地用在流体中含有一种固体物质如沙粒的情况下。在如此状况下运转的该泵，在其转子和外壳部位，会受到一种固态物质的撞击导致的磨损(被称为“沙石磨损”)和气蚀所造成的合成损伤。因此，预计会受损的部位要用有一树脂如橡胶作衬或涂敷有一种高硬度材料如陶瓷的填料来定期地修补。日本未审查而公开的专利申请3-47477中已公开了这项技术。

当泵或水轮机用在流体中含有沙粒的情况下时，如上所述，各构件必须涂上一层高硬度材料以防止沙粒磨损和气蚀造成的损害。但是，转子和外壳具有三维形状，不易涂敷较硬的材料。

镀Cr被广泛地用于使具有最高表面膜硬度，也即，维氏硬度(以下简称为“Hv”)达到约1000。至于电解电镀，由于形状所致，电解质浓度很难形成一厚度均匀的薄膜，也很难形成一很好的表面膜，如远离电极的通道内表面。再有，在用于处理含有固态粒子如沙粒的流体的泵中，很难形成一具有足够寿命的薄膜厚度。

与镀Cr相类似，镀Ni-P或Ni-P-B是非电解电镀，其广泛地被用于提高抗磨损性和抗腐蚀性，并且可以形成一不管其形状如何总具有一均匀厚度的表面膜。但是，镀层本身并不能提供足够的硬度和附着度，因此当其与一高速流体接触时不能表现出一足够的抗沙石磨损能力。同时，很难提供一具有足够寿命的薄膜厚度。结果，发现单独的电镀很难呈现出一种足够的抗沙石磨损性和抗磨损腐蚀性，尤其是用于与高速流体接触的叶片的出口端和转子的外表面时，更难表现出足够的抗沙石磨损性和抗磨损腐蚀性。

渗硼和渗铬均属于一种通过在一表面层中渗硼和铬以形成一具有较高硬度的渗透层来改善抗磨损性的表面处理。这种表面处理甚至可以应用在复杂表面，以提供一相对较高的硬度。但是，该渗透层的厚度是受限制的，因此很难使处理一含固态粒子如沙粒的流体的泵形成一具有足够寿命的薄膜厚度。一相对较高的硬度是可以达到的，但是，当其与含有固态粒子的高速流体接触时，不能表现出一足够的抗磨损性。结果，当这种表面处理应用于与高速流体接触的转子外表面及叶片出口时，很难独自表现出一种足够的抗沙石磨损性和抗气蚀性。

一坚硬的表面膜，如通过一种火焰涂敷法形成的坚硬表面膜，具有一足够的抗沙石磨损性和抗气蚀性，而且可以比较容易地涂上一具有一足够厚度的表面膜。但是，这种火焰涂敷法存在如下问题。具体地说，火焰涂敷枪与构件间需要有一合适距离，以形成一满意的火焰涂敷表面膜，而且需要一相对较宽松的空间，这就造成了对枪的尺寸有一定限制。结果，一具有一三维尺寸的构件及一狭小的空间使得很难在整个区域上涂上一层满意的具有足够硬度和足够附着力的表面膜。例如，转子可以在诸如火焰涂敷较容易进行的叶片顶端形成满意的表面膜，但是，通道内部诸如叶片根部则鉴于空间狭小很难形成一满意的表面膜。尽管通道内部流体的流速比叶片顶端要低，但是，仍会发生沙石磨损，以致在未处理状态，不能达到一足够的寿命。

现有技术不能解决上面所具体举出的问题。

发明内容

本发明力求解决这些问题，并且其目的是，提供一种具有极好抗磨损和抗腐蚀性的泵和水轮机，这些泵和水轮机甚至可以用在流体中含有沙石的情况下。

本发明的另一个目的是提供一种以一合理成本制造一具有极好抗磨损和抗腐蚀性的泵及水轮机的方法，这些泵和水轮机甚至可以用在流体中含有沙石的情况下。

为达到上述目的，该泵采用了如下结构。与流体相接触的转子(叶轮)及外壳的表面具有这样的结构，即包括：一涂敷有一从包括一Ni合金表面膜，一渗硼层表面膜和一渗铬层表面膜的表面膜组里选出的第一表面膜的区域；及一涂敷有含一种金属和一种碳化物和第二表面膜的区域。

第二表面膜包括：一种含有从包括Ni、Cr和C0的金属组中选出的至少一种金属的金属；和一种碳化铬或碳化钨。

第一表面膜与第二表面膜间有一层重叠区域，在该区域内第一表面膜夹在转子和外壳及第二表面膜之间。

第二表面膜是一种含有50到90重量百分率，最好是70到90重量百分率的碳化铬或碳化钨的表面膜。

Ni合金表面膜是由一种Ni合金制成，这种Ni合金含有：1到10重量百分率的P；0.5到5重量百分率的B；或1到10重量百分率的P和0.5到5重量百分率的B两者。也可是，Ni合金表面膜是由一种Ni合金制成，这种Ni合金含有：1到10重量百分率的P；0.5到5重量百分率的B；或1到10重量百分率的P和0.5到5重量百分率的B两者。这种Ni合金渗有且包含有5到10重量百分率的微粒，这种微粒至少是SiC、Si₃N₄、SiO₂、AL₂O₃及ZrO₃中的一种。

下述方法是用作制造一泵的方法。

该泵的制造方法包括：在转子表面和外壳内表面上形成一Ni合金表面膜，这些转子表面和外壳内表面已加工成预定形状，形成一渗硼层或形成一渗铬层；涂敷上一表面膜，该表面膜包括碳化铬或碳化钨及从包括Ni、Cr和Co的组中选出的至少一种金属；在400到600℃温度下加热。

在此制造方法中，Ni合金表面膜是通过电镀的方法涂敷上的。渗硼层或渗铬层是通过粉末扩散法形成的。含有碳化铬或碳化钨及从包含有Ni、Cr和Co的组中选出的至少一种金属的该表面膜是用火焰涂敷法涂上去的。

解决前述问题的本发明具有如下功能和效果。

(1)下述功能和效果是通过在与流体接触的转子表面和外壳内表面上涂Ni合金表面膜而达到的。

这种Ni合金表面膜在抗磨损性和抗腐蚀性方面相对极佳。

(2)下述功能和效果是通过制取Ni合金表面膜来达到的。该Ni合金含1到10重量百分率的P，0.5到5重量百分率的B或1到10重量百分率的P和0.5到5重量百分率的B两者；或该Ni合金扩散且包含有5到10重量百分比的至少是SiC、Si₃N₄、SiO₂、AL₂O₃及ZrO₃中的一种微粒。

可以用非电解电镀的方法将这种Ni合金表面膜涂敷在一构件甚至一火焰涂敷法所不能进行的具有复杂形状的构件上，使该构件具有一厚度均匀的表面膜。结果，整个表面，包括通道内面都可以被电镀，从而提高了整个泵的抗磨损和抗腐蚀性，因此也整体地提高了该泵的可靠性。再有，通过含有：1到5重量百分率的P；0.5到2重量百分率的B；或1到10重量百分率的P和0.5到5重量百分率的B两者的Ni合金可以取得极佳的抗磨损和抗腐蚀性。因而，火焰涂敷所不能涂的区域可以被电镀，从而通过在整个表面(包括转子的通道表面和外壳的内表面)上镀上Ni合金表面膜而使火焰涂敷所不能涂的区域具有更佳的抗磨损和抗腐蚀性。

(3)如下功能和效果是通过在Ni合金表面膜中添加5到10重量百分率的至少是从SiC、Si₃N₄、SiO₂、AL₂O₃及ZrO₃中选出的一种微粒而取得的。

就由电镀法制得的Ni合金表面膜(也被称为“Ni合金电镀膜”)而言，例如，包含1到10重量百分率的P；0.5到5重量百分率的B；或1到10重量百分率的P和0.5到5重量百分率的B两者的Ni合金电镀膜，采用一种恰当的热处理工艺可以生成一种坚硬的沉淀物，以获得最大表面膜硬度(如约Hv800到1000)。就抵抗沙石粒子的冲击而论，该表面膜越硬越好，而且，具有一比沙石粒子中的石英石的硬度还高的硬度的表面膜在抗沙石磨损方面性能极佳。如果，在该Ni合金电镀膜中分散有硬质微粒，如SiC、Si₃N₄、SiO₂、AL₂O₃及ZrO₃，那么该表面膜的硬度会进一步增加，从而提高抗磨损性。此处，该硬质微粒如SiC、Si₃N₄、SiO₂、AL₂O₃及ZrO₃的含量，当其体积百分率超过5％时提高表面膜的硬度很显著，而当其超过10％时则会增加表面膜的脆性。因此此含量在体积百分率上最好占到5到10％。

(4)如下功能和效果是通过将Ni合金电镀膜的厚度设定在0.1到0.3mm内达到的。

对Ni合金表面膜而言，膜厚为0.02mm就可表现出极佳的抗腐蚀性。但是，在相对低速区域，如通道内面上，需要一大于0.1mm的膜厚以提供一足够的抗沙石磨损性。另一方面，在定期地保养该泵时，为了便于修补此Ni合金表面膜，该膜厚为0.3mm就足够了。出于节约原材料和电力的考虑，膜厚0.1至0.3mm是比较合适的。

(5)如下功能和效果是通过在与所处理流体相接触的转子表面和外壳内表面上形成渗硼层或渗铬层而取得的。

渗硼层或渗铬层是一种硬质层，这种硬质层是通过将硼或铬从外表面扩散入基体金属中以沉淀出细小的硬质硼复合相或硬质铬复合相而形成的。因此，附着性极佳，而且硬度相对较高，从而提供了一种极好的抗腐蚀性。如用粉末扩散法来举例说明形成此扩散层的方法的话，这种粉末扩散法是将基体金属与所用的化成稀浆的粉剂一同加热或在粉剂中加热，如此就可在通道内面建立起扩散相，同时尺寸相对较大的构件也可以被处理。因此，渗硼层和渗铬层在整个面(包括转子的通道内部及外壳的内表面)上形成，这样就可使那些为火焰涂敷所不能涂的区域被涂敷，从而提供了极佳的抗磨损和抗腐蚀性。

渗硼层或渗铬层的厚度由扩散率，也即加热温度和加热时间决定。考虑到，持续高温会减小转子及外壳的强度和抗磨损性，因此处理时的加热温度是有上限的。随着膜厚的增加，扩散层中的应力也会增加，以致开裂及剥落。另一方面，为了在相对低速区，如通道内面上呈现出一种足够的抗磨损性，膜厚必须为0.1mm或更厚。再有，由于在维修期间，要定期地保养该泵，因此膜厚0.3mm就足够了，出于节约原材料和电力的考虑，膜厚0.1至0.3mm是比较合适的。

(6)如下功能和效果从一种表面膜获得，该表面膜适于涂在与所处理流体相接触的转子表面和外壳内表面的至少一个部分上，且含有碳化铬或碳化钨，及从Ni、Cr和Co中选出的至少一种金属。

采用Cr₃C₂作为碳化铬及WC作为碳化钨的该表面膜具有一Hv1000或更高的硬度和一极佳的抗腐蚀性。组成沙石的主要物质是长石和石英石，其中的石英石最高硬度为Hv1000。当冲击粒子的硬度超过表面膜的硬度时，在抗磨损方面，沙石磨损急剧增加，通过在至少一部分转子表面覆盖一层硬度为Hv1000的表面膜即可表现出足够的抗沙石性或抗气蚀性能。

(7)下面的功能和效果通过生成一种表面膜来达到。这种表面膜包括碳化铬或碳化钨和至少一种从由Ni、Cr和Co构成的一组金属中选出的金属。该表面膜中的碳化铬(Cr₃C₂)或碳化钨(WC)的重量含量为50％至90％，最好是70％至90％。

这种包含碳化铬或碳化钨及至少一种从Ni、Cr和Co金属组中选出的金属的表面膜的硬度根据Cr₃C₂或WC含量的不同会有所变化。如果，Cr₃C₂或WC含量增加，表面膜的硬度增加，但韧性下降，同时变脆，因而易于破碎或脱皮而降低可靠性。如果，Cr₃C₂或WC的重量含量在50％-90％范围内，表面膜能保持足够的抗沙石磨损硬度和韧性。而且，在此范围内，表面膜硬度为Hv1000或更高，以致于它有足够的抗腐蚀和抗沙石磨损能力。但是，如果沙石密度高，Cr₃C₂或WC的重量含量不得不增加，以提高表面膜的硬度。在这种情况下，合适的Cr₃C₂或WC重量含量为70％-90％。

(8)下面的功能和效果是通过在表面膜涂上一层厚0.1到1.0mm的膜来达到的，这层膜包含碳化铬或碳化钨及至少一种从Ni、Cr和Co中选出的金属。

由于，火焰涂敷膜上有很多细微的孔穴，它的厚度应为0.1mm或更厚，以呈现出足够的抗腐蚀和抗磨损能力。另一方面，当火焰涂敷膜的厚度增加时，它的内应力也会增加，从而使附着性降低。从附着性这一点上看，火焰涂敷膜的厚度必须是1.0mm或更薄。而且，考虑到表面膜的抗磨损性，对于厚度为1.0mm的膜的寿命就足够了。为了节约原材料和电力，膜厚为1.0mm或更薄是合适的。作进一步的讨论，厚度为0.1至1.0mm的膜在转子抗沙石磨损和气蚀中就可保证足够的寿命，产量和节能方面会令人满意。

(9)下面的功能和效果是用一种火焰涂敷法涂敷表面膜而达到的，这层表面膜包含碳化铬或碳化钨和至少一种从Ni、Cr和Co中选出的金属。

通过用火焰涂敷法，由Ni、Cr或Co和碳化铬组成的表面膜可以取0.1至1.0mm的厚度，由Ni、Cr或Co和碳化钨组成的表面膜可以取0.1至0.5mm的厚度。所以，采用火焰涂敷法涂敷这层具有如此厚度的表面膜是可能的，其厚度足以在抗沙石磨损和气蚀中保证足够的寿命。

火焰涂敷有不同的方法，要根据其各自的优缺点来适用。能形成最致密表面膜的火焰涂敷法是真空火焰涂敷法，在该方法中等离子火焰涂敷在真空中进行。但是，按照这种真空火焰涂敷法，待处理构件必须放入一用于涂敷处理的真空室内，因此其在本实施例中，应用于泵构件是不切实际的。用一种爆炸火焰涂敷法和一种快速火焰涂敷法来举例说明另一种能涂敷一致密表面膜的方法。爆炸火焰涂敷法在一次喷射中就可以覆盖一较宽的涂敷面，因此其适于覆盖一大尺寸的平的构件。但是，火焰喷涂枪及设备尺寸较大，因而使得爆炸火焰喷涂法很难质地均匀地涂敷三维尺寸的构件如转子或外壳。快速火焰喷涂法可以形成一致密的表面膜，并可用一相对较小的喷枪，因此其可以在三维尺寸构件上形成一致密表面膜。所以，快速火焰喷涂法更适于本

实施例。

(10)下面的功能和效果是通过在与所处理流体相接触的转子表面和外壳内表面上形成一第一表面膜来达到的，该第一表面膜选自一Ni合金表面膜、一渗硼层表面膜和一渗铬层表面膜，并在第一表面膜上覆盖一含有至少一种从包括Ni、Cr和Co的金属组中选出的金属和碳化铬或碳化钨的第二表面膜。

如上所述，快速火焰喷涂法使用一相对较小的枪，并可在一三维尺寸构件上形成一质地均匀的表面膜，但是，仍发现其很难在泵的某些部分，如转子的通道内部，形成令人满意的表面膜。另一方面， Ni合金电镀膜、渗硼层和渗铬层在抗沙石磨损和气蚀性上逊色于火焰涂敷膜，但是其可以实施于一狭窄的空间，因此它们甚至可以在这些部分，如转子的通道内部上涂敷上一令人满意的表面膜。所以，通过在很难用火焰喷涂涂膜的通道内或在此整个通道上形成Ni合金电镀膜、渗硼层和渗铬层，并在相同部位上火焰喷涂由碳化铬或碳化钨及Ni、Cr或Co组成的表面膜，转子和外壳的抗沙石磨损性和抗气蚀性从整体上讲有了急剧的提高。

(11)下面的功能和效果是通过在与所处理流体相接触的转子表面和外壳内表面上形成一第一表面膜而达到的，该第一表面膜选自一Ni合金表面膜、一渗硼层表面膜和一渗铬层表面膜，并在第一表面膜上覆盖一含有至少一种从包括Ni、Cr和Co的金属组中选出的金属和碳化铬或碳化钨的第二表面膜，并将其在400至600℃下加热。

通过这种热处理，Ni合金电镀膜扩散入基体金属中，增加了附着性。再有，在Ni合金镀膜、一渗硼层和一渗铬层中任何一个形成的第一表面膜或第一扩散层与含有碳化铬或碳化钨及至少一种从Ni、Cr和Co选出的金属的第二表面膜间的重叠部位产生扩散，从而使两表面膜间的附着性提高。这种附着性方面的提高导致抗沙石磨损能力和抗表面膜剥落抑制力提高，相应地，提高了整个泵的可靠性。考虑到扩散率，最好采用较高的加热温度。但是，鉴于表面膜与基体金属间热膨胀系数不同会产生热应力，加热温度最好为600℃或更低。另一方面，在400℃或更低温度时，扩散需要很长一段时间，以致很难在工业中应用。

(12)下面的功能和效果是通过采用一Ni-P-B电镀膜作为Ni合金电镀膜的热处理来达到的。

通常，这种Ni-P-B电镀膜通过将其在约350-400℃加热，使硬质层析出而具有最大表面膜硬度，通过在另一更高温度下加热可以降低该表面膜硬度。但是，当硬度增加时，表面膜变脆，从而导致开裂/剥落。但是，当需要具备抗磨损能力时，该Ni-P-B电镀膜通常被加热至350到400℃以使其具有最大硬度。在本发明中，表面膜用于抵御水中的沙粒的冲击，但是，必须避免该表面膜的开裂/剥落，主要因为表面膜的开裂/剥落将激发腐蚀，因此使表面膜具有最大硬度的热处理并不是最好的选择。在400到600℃温度范围内，既不导致表面变脆，又不能使硬度达到最大，但是，获得了一相对较高的表面膜硬度，以提供一可靠性较高的表面膜，这种表面膜通过向基体金属扩散抑制了表面膜的开裂/剥落。

另一方面，如下所述，通过此种热处理，含有碳化铬或碳化钨及至少一种从包括Ni、Cr和Co的金属组中选出的金属的该表面膜在膜品质方面得到了改善。通过这种加热，表面膜中的Ni、Cr或Co的金属相与碳化铬微粒或碳化钨微粒间的附着力增加，从而使表面膜硬度增加，这样就提高了抗沙石磨损能力和抗气蚀能力。结果，表面膜的剥落和脱离被抑制，可靠性提高，甚至当一冲击使表面膜开裂后，依然如此。在较高的加热温度下，表面膜中的Ni、Cr或Co的金属相与碳化铬微粒或碳化钨微粒间的附着力增加，而表面膜与基体金属之间的边界处的附着力增加更快，但是，由于表面膜与基体金属间热膨胀系数不同产生了一种热应变。考虑到热应变对表面膜的影响，最好使加热温度为600℃或更低。再有，出于对效率的考虑，400℃温度是一个最低限，如果再低就会使热处理需要很长的时间，以致很难在工业上应用。

另一方面，为解决前述问题，在一水轮机中，该水轮机包括：一个其内有一流体通道的外壳；及一个布置在外壳内并可使通道内的流体随其一起转动的旋转构件，还可以包括下述任何结构。

(A)该水轮机与其通道内的流体相接触的面，至少在其部分上，被涂有：一包含有至少一种从由碳化铬、碳化钨、镍(也被写作“Ni”)、铬(也被写作“Cr”)和钴(也被写作“Co”)组成的组中选出的物质的第一表面膜；和一包含至少一种从由硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯所组成的组中选出的物质的第二表面膜。

(B)在(A)中，水轮机有一区域，在该区域第一表面膜上涂有第二表面膜。

(C)在(A)或(B)中，与流体相接触的整个面上都涂有第二表面膜。

(D)在(A)到(C)的任何一个中，第一表面膜含50到90重量百分率，最好是70到90重量百分率的碳化铬或碳化钨。

(E)在(A)到(D)的任何一个中，第一表面膜具有一0.1到1.0mm的厚度，而且由包含硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯中至少一种的树脂制成的表面膜具有一1到3mm的厚度。

(F)在(A)到(E)的任何一个中，在第二表面膜中分散有：要么是铁、铜或不锈钢金属粉；要么是氧化铝、氧化钛、氧化镁、氧化铬、氧化硅、碳化铬、碳化钨、碳化硅或氮化硅形成的陶瓷微粒。

为解决上述问题，通过包括以下步骤中任何一个步骤的方法来制造此水轮机。

(G)一所用部件的面的至少一部分被涂上一含有至少一种从碳化铬、碳化钨、镍、铬和钴所组成的组中选出的物质的第一表面膜；而后被涂上一包含从硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯所构成组中选出的至少一种物质的第二表面膜。

(H)在(G)中，涂敷第一表面膜后，涂敷第二表面膜之前，将该部件在350到650℃温度，最好是400到650℃温度下加热1到30小时。

(I)在(G)或(H)中，第一表面膜上涂有至少一部分第二表面膜。

(J)在(G)或(I)中，一种火焰喷涂法，最好是一种快速火焰喷涂法被用作涂敷第一表面膜的方法。

以下的功能和效果从后面进一步描述的结构中获得。

由于包含有从碳化铬、碳化钨、Ni、Cr和Co组成的组中选出的至少一种物质的表面膜具有一高的硬度。因此，通过将水轮机表面的至少一部分涂敷第一表面膜，就可获得抗沙石磨损性和抗气蚀性。尤其是，采用Cr₃C₂作为碳化铬、采用WC作为碳化钨的表面膜具有一Hv1000或更高的表面硬度和一极好的抗腐蚀性。沙石中包括的主要物质是长石和石英石，石英石的最大硬度为Hv1000。当表面膜的硬度超过冲击粒子的硬度时，抗磨损能力迅速增加，因此，通过在转子表面的至少一部分上涂敷一硬度约为Hv1000的表面膜，就可获得足够的抗沙石磨损和抗气蚀能力。

通过使第一表面膜含有50到90重量百分率，最好是70到90重量百分率的Cr₃C₂或WC，该第一表面膜具有极佳的抗腐蚀性和抗沙石磨损性。更具体地说，含有碳化铬或碳化钨及至少一种从Ni、Cr和Co中选出的金属的表面膜，根据Cr₃C₂或WC的含量的不同会有所变化。如果Cr₃C₂或WC含量增加，表面膜的硬度也会随之增加，但是，韧性下降，而且会变脆，从而导致其有可能开裂或剥落，进而降低了可靠性。如果Cr₃C₂或WC的含量保持在50到90重量百分率范围以内，那么该表面膜可以保持一足够的抗沙石磨损硬度和粗糙度。再有，在此范围内，该表面膜具一Hv1000或更高的硬度，因此其可以有极好的抗腐蚀和抗沙石磨损性。再有，如果沙石密度较高，就必须增加Cr₃C₂或WC的含量以提高表面膜的硬度。在此情况下，Cr₃C₂或WC的含量最好占70到90重量百分率。

通过给第一表面膜一0.1到1.0mm的厚度，就能够确保转子具有足够寿命来抵抗沙石磨损和气蚀，同时，产量和能源节约也是令人满意的。更具体地说，由于火焰喷涂膜上有一定数量的细小洞穴，因此其厚度必须为0.1mm或更厚，以体现出极佳的抗腐蚀和抗磨损性。另一方面，随着火焰喷涂膜厚度的增加，其内应力也随之增加，以致降低了附着性。从附着性这一点上看，火焰喷涂膜只能为1.0mm厚或更薄。再有，从表面膜的抗磨损能力方面考虑，膜厚1.0mm就可保证足够长的寿命，出于减少工作量和节约能源的考虑，膜厚最好为1.0mm或更薄。从以上所述的讨论中，可以得出，膜厚0.1至1.0mm就可使转子具有足够长的寿命抵抗沙石磨损和气蚀，同时，生产率和能源节约也是令人满意的。

通过将火焰喷涂法作为涂敷表面膜的方法，就可比较容易地涂敷具有一能确保抵抗沙石磨损和气蚀的足够长的寿命的表面膜。通过将火焰喷涂作为表面膜涂敷的方法，更具体地讲，由Ni、Cr或Co及碳化铬组成的表面膜可取厚度0.1到1.0mm，由Ni、Cr或Co及碳化钨组成的表面膜可取厚度0.1到0.5mm。因此，通过用火焰喷涂法形成此表面膜，就可比较容易地涂敷具有如此厚度的表面膜，该厚度可确保一抵抗沙石磨损和气蚀的足够长的寿命。

涂上第一表面膜后，通过在350至650℃，最好是400至650℃温度下加热1到30小时，在由碳化铬或碳化钨及Ni、Cr或Co组成的表面膜中Ni、Cr或Co的金属相和碳化铬微粒或碳化钨微粒间的附着力增加，从而导致表面膜的硬度增加，相应地，抗沙石磨损能力和抗气蚀能力也随之提高。再有，表面膜与基体金属之间的边界处的附着力增加，从而抑制了表面膜的剥落。结果，表面膜的剥落和脱离受到抑制，从而提高了可靠性，甚至当表面膜受到一冲击开裂后也如此。在高的加热温度下，表面膜中的Ni、Cr或Co的金属相与碳化铬微粒或碳化钨微粒间的附着力增加，而表面膜与基体金属间的边界处的附着力增加更快，但是，由于表面膜与基体金属间热膨胀系数不同产生了一种热应变。考虑到热应变对表面膜的影响，最好使加热温度为650℃或更低。再有，出于对表面膜生成速度的考虑，350℃温度是一个最低限，如果再低就会使涂敷过程需要很长的时间，以致很难在工业上应用。出于实用性的考虑，最佳的温度范围是400到650℃。在对350至650℃温度范围进行测试时，加热处理需要在350℃下进行20小时及在最高温度650℃下进行1小时。对400到650℃温度范围内进行试验时，该加热处理趋于30小时。因此，出于对效果与能源节约的考虑，最佳的加热时间应为1到30个小时。

如果采用火焰喷涂法尤其是快速火焰喷涂法作为涂敷第一表面膜的方法，那么可在一三维构件上形成一均匀的且致密的表面膜。火焰喷涂法有不同的方法，要根据它们各自的优缺点来使用。能够形成一最致密的表面膜的火焰喷涂法是真空火焰喷涂法，在该方法中等离子火焰涂敷在真空中进行。但是，按照这种真空火焰涂敷法，待处理构件必须放入一用于涂敷处理的真空室内，因此其在本实施例中，应用于泵构件是不切实际的。用一种爆炸火焰涂敷法和一种快速火焰涂敷法来举例说明另一种能涂敷一致密表面膜的方法。爆炸火焰涂敷法在一次喷射中就可以覆盖一较宽的涂敷面，因此其适于覆盖一大尺寸的平的构件。但是，火焰喷涂枪及设备尺寸较大，因而使得爆炸火焰喷涂法很难质地均匀地涂敷一三维尺寸构件如转子或外壳。快速火焰喷涂法可以形成一致密的表面膜，并可用一相对较小的喷枪，因此其可以在三维尺寸构件上形成一致密表面膜。

当涂敷有第一表面膜的转子表面涂敷一含有从硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯组成的组中选出的至少一种物质的第二表面膜时，整个构件的抗沙石磨损性和抗气蚀性急剧提高。如上所述，快速火焰喷涂法使用一相对较小的枪，并可在一三维尺寸构件上形成一质地均匀的表面膜，但是，仍发现其很难在泵的某些部分，如转子的通道内部，形成令人满意的表面膜。但是，与含有碳化铬、碳化钨、镍、铬和钴所组成组中选出的至少一种物质的第一表面膜相比，含有从硬橡胶、环氧树脂、聚乙燃和聚酯所组成组中选出的至少一种物质的第二表面膜在抗沙石磨损和抗气蚀方面较差。通过恰当地选择加工方法，甚至诸如转子通道内部等部位也可以涂上一层满意的表面膜。因此，通过火焰涂敷由碳化铬或碳化钨及Ni、Cr或Co所构成的表面膜，以及涂敷由含有硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯中至少一种的树脂所构成的表面膜，构件的抗沙石磨损和抗气蚀性，从整体上讲，有了非常显著的提高。

当涂有第一表面膜的转子表面再涂上第二表面膜后，基体金属至少是局部被涂上了重叠的第一和第二表面膜，如此以来，抗沙石磨损和抗气蚀能力以及抗沙石磨损和抗气蚀的可靠性就提高了。表面膜的破损和剥落往往是从表面膜的端部开始的。当由碳化铬或碳化钨及Ni、Cr或Co中至少一种金属所构成的表面膜以一部分重叠方式涂上由树脂，如硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯或聚酯，构成的表面膜后，基体金属被无任何缝隙地包裹，从而使其抵抗沙石磨损和气蚀的能力提高。

附图说明

图1是本发明一实施例之卧式泵的剖视图；

图2是本发明实施例之泵转子(叶轮)的示意性透视图；

图3是本发明实施例之泵转子的纵剖图；

图4是本发明实施例之泵转子的前视图，其中一部分被剖开；

图5是本发明实施例之泵转子的放大剖视图；

图6是本发明实施例之泵外壳的放大剖视图；

图7是本发明该实施例之被处理泵表面部分的放大简图；

图8是本发明另一实施例之被处理泵表面部分的放大简图；

图9是图8所示被处理泵表面部分的详细放大图；

图10是本发明另一实施例之被处理泵表面部分的放大简图；

图11是本发明另一实施例的被处理泵表面部分的放大简图；

图12是本发明一实施例之泵转子的制造方法的流程图；

图13是本发明另一实施例之泵转子的制造方法的流程图；

图14是本发明另一实施例之泵转子的制造方法的流程图；

图15给出了本发明所公开的表面处理的沙石磨损检测结果；

图16是本发明另一实施例之水平泵的剖视图；

图17是本发明实施例之泵转子的示意性透视图，其一部分被剖开；

图18是本发明实施例之泵转子的纵剖图；

图19是本发明实施例之泵转子的示意性透视图，其一部分被剖开；

图20是本发明实施例之泵转子的放大剖视图；

图21是本发明实施例之泵外壳的放大剖视图；

图22是本发明另一实施例之泵转子的制造方法的流程图；

图23是本发明实施例之水轮机的示意性透视图，其一部分被剖开；

图24是本发明实施例之水轮机叶轮(转子)的示意性透视图；

图25是本发明实施例之水轮机叶轮的放大剖视图；

图26是本发明另一实施例之水轮机叶轮的制造方法的流程图；

图27是本发明实施例之水轮机导流叶片的透视图；

图28是本发明另一实施例之立式泵的纵向透视剖面图；

图29是本发明实施例之立式泵叶片的纵向透视剖面图；

具体实施方式

图1是实施本发明的卧式泵1的示意性剖视图。一转子2固定在一轴4上，该轴4的两端支撑在轴承3上。转子2由一与轴4一端相连的主转动装置(图中未示)转动，以使该转子2从其两端吸水，从外壳5中排出。

本发明所应用于的部件是转子2和外壳5。现在，将以转子2为例，详细描述本发明。图2简要地示出了转子2的内部。该转子2包括一个装在轴4上的轴套21、一围绕该轴套21的罩盖23和与轴套21及罩盖23相连的叶片22。在轴套21和罩盖23间限定了一个通道，水从两侧的吸入口24吸入，并由旋转的转子2加速，而后从排出口25排出，进而经外壳5上的一通道流出该泵。

当转子2中流的水中含有较多沙粒时，转子2被沙粒中的冲击粒子磨损。当沙粒中含有高硬度的石英粒子时，这种沙粒磨损尤其变得严重。当沙粒浓度超过2kg/m³，且流速超过30m/s时，会导致一种极端严重的沙粒磨损。为防止这种沙粒磨损，转子2除了与轴4相配合的部分外，其余部分全部涂上一厚度为0.1到0.3mm的Ni合金电镀膜。这种Ni合金电镀膜含有3％重量百分率的P和1％重量百分率的B。转子2在水流速较高或粒子冲击频率较大的部分，也就是叶片22和罩盖23的部分，还另外涂有厚度为0.4到0.6mm的Cr₃C₂-16％重量百分率的Ni-4％重量百分率的Cr的火焰涂敷膜6(也被称为“Cr₃C₂-20％NiCr的喷涂膜”)。在本实施例中，转子2的材料为含有13％的铬的铸钢(也被称为“13％Cr铸钢”)。基体金属或13％Cr铸钢具有一约Hv200到250的维氏硬度；Ni合金电镀层的维氏硬度为400到500；Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜的维氏硬度约为800至900。

在图2中，涂有Cr₃C₂-20％NiCr的部分打有阴影线。叶片22涂有Cr3C2-20％NiCr火焰涂敷膜，这些火焰涂敷膜处于出口22a和吸入部分22b(尽管在图2中未示出)处。罩盖23火焰涂敷有Cr₃C₂-20％NiCr膜，这些涂膜处于一出口23a和吸入部分23b处。这种Cr₃C₂-20％NiCr膜覆盖在Ni合金电镀膜上以提供一种双层结构，上层为Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜，下层为Ni合金电镀膜。

罩盖23的出口23a处，水的流速较高，出于防止严重沙粒磨损的考虑，在水流速超过30m/s的罩盖出口23a处也火焰涂敷Cr₃C₂-20％NiCr膜。

图3是图2所示转子2的纵剖图，图3是一幅剖视图，涂有Cr₃C₂-20％NiCr的部分打有阴影线。这些用火焰涂敷法涂有Cr₃C₂-20％NiCr的部分处于出口23a和叶片22的吸入部分22b处，这些部分易于被火焰涂敷，因此可以形成一高质量的表面膜。

图4是图3所示转子2从侧面看去所得的前视图。图中，为使其内部结构清楚，罩盖23的一侧被删除。在图4中，与图3中所示相似，涂有Cr₃C₂-20％NiCr的部分打有阴影线。在吸入口，叶片22与轴套21成一锐角，而越接近出口越成一直角。因此，该叶片在吸入侧易于火焰涂敷，但是在轴套一侧则较难涂敷。结果，叶片22的吸入口的火焰涂敷部分22b几乎都处于吸入一侧而在背面或轴套一侧则几乎没有。

图5是转子2之叶片22的排出口的纵向放大剖视图。叶片22全部涂有一Ni合金电镀膜7，部分涂有Cr₃C₂-20％NiCr膜6。这两层膜中，Ni合金电镀膜7处于下层，Cr₃C₂-20％NiCr膜6位于其上。

图6是外壳5的面对部分5a，即正对转子排出口25的部分的纵向放大剖视图。在该排出口25的面对部分25a处，流速较高，微粒的冲撞频率也较高，所以更可能发生沙石磨损。因此，外壳5的内表面上全都覆盖有Ni合金电镀膜7，而从转子排出口25流出的水直接冲击的面对部分5a上则不仅涂有Ni合金电镀膜7而且还涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6。外壳5相分离的的两半中一前半边，即垂直排出口25分离平面的一半，可以被火焰涂敷，而剩下的半边则没有一足够的空间来涂上一满意的火焰涂敷表面膜。因此，后一半边与转子2一样，仅涂有Ni合金电镀膜7。图7是一幅简图，该图示出了Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6和Ni合金电镀膜7相重叠部分的剖面结构。通过下面所要描述的热处理，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6中的NiCr扩散入Ni合金电镀膜7，从而形成一扩散层6d。同样，Ni合金电镀膜7也扩散入基体金属形成一扩散层7d。通过如此形成的这两个扩散层，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6和Ni合金电镀膜7牢固地附着在基体金属上，从而防止了任何开裂或剥落/分离现象的发生。

在以上描述的实施例中，将Cr₃C₂-20％NiCr膜作为火焰涂敷表面膜的例子，将Ni-3重量百分率P-1重量百分率B合金电镀膜作为Ni合金电镀膜的例子，但是，本发明并不限于上述具体所举成份。将含有50％到90％重量百分率WC的WC-Co表面膜或WC-NiCr表面膜作为火焰涂敷膜也可以达到同样的效果。同样Ni合金电镀膜也不限于Ni-3重量百分率的P-1重量百分率的B合金电镀膜。含有1到10重量百分率的P或0.5到5重量百分率的B、或1到10重量百分率的P和0.5到5重量百分率的B两者的Ni合金也可以达到同样的效果。

图8是一幅简图，该图示出了另一实施例泵转子的Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6和含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜71相重叠部分的剖面结构。在该实施例中，转子材料仍为13％Cr铸钢。基体金属或13％Cr铸钢的维氏硬度约为200到250；含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜的维氏硬度约为500到800；Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜的维氏硬度约为800到900。此处，含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜内含7％重量百分率的SiC微粒，这些微粒分散在其中。在本实施例中，也是通过热处理，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6中的NiCr扩散入含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜7，从而形成一扩散层6d，含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜7也扩散入基体金属形成一扩散层7d。通过如此形成的这两个扩散层，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6和含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜7牢固地附着在基体金属上，从而防止了任何开裂或剥落/分离现象的发生。

在本实施例中，通过热处理可以达到如下效果。图9是一幅简图，该图示出了Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜和含有细微SiC粒子的Ni合金电镀膜相重叠部分的放大剖面结构。图标7e代表含量为7％重量百分率的细微SiC粒子，其直径为几个到几十个微米。通过如下热处理，细微SiC粒子与Ni-P电镀基体层之间的接合力得以增加，从而提高了表面膜的硬度、韧性和抗磨损能力。

在前述实施例中，以SiC为例说明的分散的细微粒子并不仅限于SiC，例如还可以是Si₃N₄、SiO₂、AL₂O₃或ZrO₃。含量不随材料变化而不同，但是当含量的体积百分率为5时，可以显示出卓越的效果，而当体积百分率含量超过10％时，就会使表面膜变脆，以致降低表面膜的强度。因此，体积百分率含量最好处于5至10％范围内。

下面将参照附图10和11描述另一实施例。图10是一幅简图，该图示出了另一实施例泵转子的WC-27％NiCr火焰涂敷膜61和渗硼层72相重叠部分的剖面结构。在本实施例中，转子金属仍为13％Cr铸钢。基体金属或13％Cr铸钢的维氏硬度约为200；渗硼层72的维氏硬度约为700到800；WC-27％NiCr火焰涂敷膜61的维氏硬度约为900到1100。

在本实施例中，除与轴相配合部分外，转子的其余表面都接受一渗硼处理，以形成一渗硼层。此后，与图2中所示相同部分上涂敷WC-27％NiCr火焰涂敷膜61。渗硼层是一硬质层，其中，硼从外表面扩散入基体金属内，以析出细微而坚硬的硼化学相，例如在本实施中可以是FeB、Fe₂B或CrB。因此，使得该坚硬层特别是在附着具有一约700到800维氏硬度的基体金属方面的附着性极佳，同时，在抗磨损方面也很杰出。再有，在通道内表面上也可形成有扩散相。此外，WC-27％NiCr火焰涂敷膜61的维氏硬度约为900到1100，因此其具有极好的抗磨损和抗腐蚀性。结合两表面膜后，转子整体上可具有一极佳的抗磨损性。

在本实施例中，同样通过热处理，WC-27％NiCr火焰涂敷膜61中的NiCr扩散入渗硼层72形成扩散层6d，从而增强了附着性。这种附着性方面的提高就可以防止表面膜任何开裂或剥落/分离现象的发生。

图11是一幅简图，该图示出了另一实施例泵转子的WC-27％NiCr火焰涂敷膜61和渗铬层73相重叠部分的剖面结构。在本实施例中，转子金属仍为13％Cr铸钢为例。基体金属或13％Cr铸钢的维氏硬度约为200；渗铬层73的维氏硬度约为700到800；WC-27％NiCr火焰涂敷膜61的维氏硬度约为900到1100。

在本实施例中，除与轴相配合部分外，转子的其余表面都接受一渗铬处理，以形成一渗铬层。此后，与图2中所示相同部分上涂敷WC-27％NiCr火焰涂敷膜61。渗铬层是一硬质层，其中，铬从外表面扩散入基体金属内，以析出细微而坚硬的铬化学相，例如在本实施例中可以是Fe-Cr、Cr₇C₃或Cr₂₃C₆。因此，使得该坚硬层在附着具有一约700到800维氏硬度的基体金属方面的附着性极佳，同时，在抗磨损方面也很杰出。再有，在通道内表面上也可形成有扩散相。在本实施例中，同样通过热处理，WC-27％NiCr火焰涂敷膜61中的NiCr扩散入渗铬层73形成扩散层6d，从而增强了附着性。这种附着性方面的提高就可防止表面膜任何开裂或剥落/分离现象的发生。

下面将参照附图12，以图2中所示的转子2为例，描述本发明制造方法的一个实施例。该转子2由铸造方法制备。铸成后，该转子2接受一去应力退火处理，而后再加工成预定尺寸。作为一电镀的预处理工序，先要清除转子表面的油膜和氧化膜。接下来，通过无电极电镀法将转子除与轴相配合部分外的其余表面全部电镀上Ni合金电镀膜7。进行完这种电镀后，再将需要涂敷Cr₃C₂-20％NiCr膜的部分进行预处理。先清洗转子以除去油脂和油渍，然后用铝土粉进行喷砂处理以形成一合适的表面粗糙度。这些工作做完后，用一快速火焰喷涂法在转子的预定部分上涂敷Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6。在本实施例中，火焰涂敷粉是通过粉碎并筛选含有Cr₃C₂-20％NiCr成分的烧结体来制备的。此处，快速火焰涂敷法是所有适于涂敷一三维体，如转子的方法中最好的方法，因为其可以形成一致密膜，而且其火焰喷涂枪相对较小，可以在一空间相对狭小的构件上形成一均质且致密的膜。完成火焰喷涂工序后，整个转子在500到600℃环境中进行持续5到30小时的热处理。在本实施例中，转子在550℃下保持15小时，然后随炉冷却。通过这种热处理，在Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6中Ni、Cr和Cr₃C₂间的附着力增加，从而提高了表面膜的硬度，相应地提高了抗沙石磨损和抗气蚀的能力。再有，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6与基体金属的边界处的附着力增加，从而抑制了表面膜的剥落。因此，表面膜的剥落和分离受到抑制，从而增加了表面膜的可靠性，即便当其受到一冲击而开裂时，也如此。此处，这种现象不仅在Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6中而且在WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜中发生。再有，通过这种热处理，Ni合金电镀膜7与基体金属相互扩散形成一很强的附着力。所以，Ni合金电镀膜7在其与基体金属的边界处获得一增强的附着力以抑制表面膜的剥落。

在较高的热处理温度下，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6中Ni和Cr的金属相与Cr₃C₂微粒间的附着力增加，表面膜与基体金属边界处的附着力则增加更快，但是，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜6与基体金属或13Cr钢间由于热膨胀系数不同而产生一热应变。考虑到热应变对表面膜的影响，加热温度最好低于600℃。对500到600℃范围内的温度进行检验后得出，加热处理最短需进行5小时，但小于30小时。因此，出于效果和能量节约的考虑，最佳的加热时间是5到30小时。这种情况不仅适用于Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜，如果其WC含量在50到90重量百分率范围内，也适用于WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜。

下面将参照附图13，以图10中所示的转子2为例，描述本发明制造方法的另一个实施例。该转子2由铸造方法制备。铸成后，加工成预定形状的工作与前一实施例的相同。作为一渗硼的预处理工序，先要清除转子表面的油膜和氧化膜。接下来，将一种硼扩散粉的稀浆涂抹在转子除与轴相配合部分外的其余整个表面。当其凉干后，将转子在一预定温度下保持一预定时间，以形成一渗硼层。在本实施例中，转子在800到950℃温度下保持10到20小时，而后在一炉中退火。在一足够长的冷却阶段后，清除转子表面上的残留的稀浆，并在火焰涂敷之前接受一预处理。用铝粉对转子进行喷砂处理以形成一合适的表面粗糙度。这些工作做完后，用一快速火焰喷涂法在转子的预定部分上涂敷WC-27％NiCr火焰涂敷膜61。在本实施例中，火焰涂敷粉是通过粉碎并筛选含有WC-27％NiCr成分的烧结体来制备的。完成火焰喷涂工序后，整个转子在500到600℃环境中进行持续5到30小时的热处理。在本实施例中，转子在550℃下保持15小时，然后随炉冷却。通过这种热处理，在WC-27％NiCr火焰涂敷膜61中Ni、Cr和WC微粒间的附着力增加，从而提高了表面膜的硬度，相应地提高了抗沙石磨损和抗气蚀的能力。再有，WC-27％NiCr火焰涂敷膜61与基体金属的边界处的附着力增加，从而抑制了表面膜的剥落。这些措施在抗磨损性上产生了相同的效果。

在图14中示出了图11所示转子的制造方法。除铬扩散方法外，该方法基本与前一方法相同。

在该方法中，在将另一种元素扩散入表层以形成一扩散层的方法中采用了若干种元素。除本方法中所采用的元素外，还可举出多种元素，如铝、钒、铌和钛。但是，就所采用元素的抗沙石磨损和抗腐蚀性及费用考虑，本发明形成渗硼层或渗铬层的方法最适合用于在水中使用的大尺寸部件，如泵构件。另一方面，扩散方法例如可以是形成一电镀相并加热的电镀法或在一熔盐中浸蘸的熔盐法。但是，考虑到构件尺寸较大而且通道内部形状复杂，所以本发明之粉末扩散法是最恰当的。这种粉末扩散法包括与前一实施例类似的稀浆涂抹法，和将构件埋于粉末中并将其加热的方法，但是，本发明可以采用另外两种方法。在这些方法中，稀浆涂敷法是最佳方法，尤其是考虑到通道内部的处理时是如此。

下面将描述抗沙石磨损检测的结果，进行该检测的目的是确认本发明的效果。在这些检测中，按本发明公开的处理工艺处理的13％Cr铸钢的试样，通过将其浸入含铝土粉的水中并从一靠近其设置的喷嘴向其喷射一高速水射流来检验其磨损程度。该检测方法摘录于表1中。如果设想是普通的河水，检测条件中的30g/l密度已是相当高的，实际上在河水中这种情况不会存在。该值远大于能展示本发明效果的2Kg/m³的沙石密度，此值仅用在加速试验中。

表1：沙石磨损检测条件

所用沙石	铝土粉
		沙石密度	30(g/l)
喷射速度	40(m/s)
		射流的撞击角度	45度
喷嘴与试样间的距离	10mm
		检测时间	1小时

在表15中列举了此项试验的结果。受检测的试样是涂敷有本发明表面膜的13％Cr铸钢。通过测量1小时检测前后减少的重量，并用检测时间除该减少的重量来按磨损百分率评估磨损度。图15示出了相对一100％的未受处理的13％Cr材料的磨损度的值。本发明公开的渗硼层、渗铬层、含SiC微粒的Ni-P-B电镀膜在抗磨损方面都逊色于火焰涂敷膜，但是，磨损百分率本身要比未受处理材料的低，最大可低18％。再有，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜和WC-27％NiCr火焰涂敷膜在抗磨损方面非常优秀，磨损百分率低到大约百分之十。因此，在本发明中，与高速流体相接触的区域或单个粒子冲击频率较高的区域上涂敷有前述火焰涂敷膜，而低速区域上则涂有另一种表面膜，对提高整个泵的可靠性非常有效。

图16是实施本发明的卧式泵101的示意性剖面图。一转子102固装在一轴104上，该轴104两端支撑在轴承103上。转子102由一与轴104一端相连的主转动装置(图中未示)转动，以使该转子102从其两端吸水，并从外壳105中排出。

本发明所应用于的部件是转子102和外壳105。现在，将以转子102为例，详细描述本发明。图17简要地示出了转子102的内部。如图所示，为了使内部结构清楚起见，其一部分被分开。该转子102包括一个装在轴104上的轴套121、一围绕该轴套121的罩盖122和与轴套121及罩盖122相连的叶片123。在轴套121和罩盖122间限定了一个通道，水从两侧的吸入口124吸入，并被旋转的转子102加速，而后从排出口125排出，进而经外壳105上的一通道流出该泵。

当转子102中流的水中含有较多沙粒时，转子102会被沙粒中的冲击粒子磨损。当沙粒中含有高硬度的石英粒子时，这种沙粒磨损尤其变得严重。转子102在其与高速水流或粒子撞击频率较高的部位，也就是叶片123和罩盖122的部分，还另外涂有一Cr₃C₂-16重量百分率的Ni-4重量百分率的Cr且厚度为0.4到0.6mm的火焰涂敷膜(也被称为“Cr₃C₂-20％NiCr喷射涂敷膜”)。转子102除与轴104配合的部分外其余表面全部另涂一厚度为1到2mm的环氧树脂表面膜。在本实施例中，该环氧树脂表面膜中，分散有50％重量百分率的氧化铝微粒。这种环氧树脂表面膜同时还覆盖涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜的部分。该重叠部分提供了一种双层结构，下层为Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108，上层为环氧树脂表面膜。

图18是沿方向a剖取的图2所示转子102的A-A纵剖图。图18是一幅剖面图，图中涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108的部分打有阴影线。这些涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108的部分位于吸入口124和排出口125的附近，这些部分易于火焰涂敷。

图19是沿方向b所得的图17所示转子2的外视图。图中，为了使内部结构清楚起见，罩盖122右半边被删去。在图19中，与图18类似，涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108的部分打有阴影线。

图20是沿方向c截取的B-B向放大纵剖图，该图示出了图19所示转子102的一部分。罩盖122和叶片123部分涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108，但是整个表面都覆盖有环氧树脂表面膜109。形成下层的环氧树脂表面膜109与Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108重叠。

图21是外壳105在排出口125的前部处的放大纵剖图。在排出口125的前部151处，流体流速较高，粒子碰撞频率也较高，因此可能发生沙石磨损。所以，该部分，即从排出口125流出的水流直接冲击的部分上涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108，内表面全部覆盖环氧树脂表面膜109。外壳105的两半被分开，排出口125的前部分151，即垂直分开面的部分，可以被火焰涂敷，而其余部分由于空间不够不能涂上一令人满意的火焰涂敷膜。因此，后半部分与转子102一样只涂环氧树脂表面膜109。

下面将参照附图22以转子102为例描述本发明制造方法的一个实施例。转子102由铸造方法制备。所用材料为13％Cr铸钢。铸成后，该转子102接受一去应力退火工艺，而后再加工成预定尺寸。接下来，将需要涂敷Cr₃C₂-20％NiCr膜的部分进行预处理。先清洗转子以除去油脂和油渍，然后用铝土粉进行喷砂处理以形成一合适的表面粗糙度，这样氧化膜或类似膜就被除去以形成一新的表面。这些工作做完后，用一快速火焰喷涂法在转子的预定部分上涂敷Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108。在本实施例中，火焰涂敷粉是通过粉碎并筛选含有Cr₃C₂-20％NiCr成分的烧结体来制备的。此处，快速火焰涂敷法是所有适于涂敷一三维体，如转子的方法中的最好方法，因为其可以形成一致密膜，而且其火焰喷涂枪相对较小，可以在一空间相对狭小的构件上形成一质地均匀且致密的膜。

完成火焰喷涂工序后，将转子放入一炉中，并在350到650℃，最好是400到650℃温度范围内进行持续1到30小时的热处理。在本实施例中，转子在550℃下保持15小时，然后随炉冷却。转子是一尺寸较大的部件，因此其很难被快速加热或冷却，而且快速加热或冷却会导致表面膜中产生不适当的热应力。因此，转子在550℃下在炉中保持15小时，而后随炉缓慢冷却。

通过在此温度下加热，在Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108中Ni、Cr和Cr₃C₂间的附着力增加，从而提高了表面膜的硬度，相应地提高了抗沙石磨损和抗气蚀的能力。再有，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108与基体金属的边界处的附着力增加，从而抑制了表面膜的剥落。结果，表面膜的剥落和分离受到抑制，从而增加了表面膜的可靠性，即便当其受到一冲击而开裂时，也如此。此处，这种现象不仅在Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108中发生而且在WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜中也会发生。

在较高的热处理温度下，焊接部分的残余应力的释放量增加，表面膜中Ni和Cr的金属相与Cr₃C₂微粒间的附着力增加，表面膜与基体金属边界处的附着力则增加更快，但是，Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜108与基体金属或13Cr钢间由于热膨胀系数不同而产生一热应力。考虑到热应力对表面膜的影响，加热温度最好低于650℃，再有，出于对表面膜生成速度的考虑，350℃温度是一个最低限，如果再低就会使涂敷过程需要很长的时间，以致很难在工业上应用。出于实用性的考虑，最佳的温度范围是400到650℃。对350到650℃温度范围进行调查后获悉在350℃下需20小时，而在650℃下进行加热处理则至少需要1小时。对400到650℃温度范围进行检验后得出，加热处理的时间小于30小时。因此，出于效果和能量节约的考虑，最佳的加热时间是1到30小时。这种情况不仅适用于Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜，如果其WC含量在50到90重量百分率范围内，也适用于WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜。

在一足够的冷却之后，将转子102除了与轴102配合的表面外其余表面全部涂敷环氧树脂膜109。在本实施例中，使用了一种溶剂，该溶剂是通过将50％重量百分率的微粒直径为10到40微米的氧化铝和10％重量百分率的硬化剂与双环氧树脂混合而制得。这种溶剂被涂抹在转子102除了与轴104相配合的表面外的其余表面上，然后将其加热，并设定在预定条件下，以便使其烘干。

图23是本发明另一实施例之水轮机106的示意性外视图，为使其内部结构更清楚其部分被切去。在图23中，图标141代表一根轴；107代表叶轮；110代表一个导向叶片；111代表一个上叶轮盖；112代表一个下叶轮盖；及113代表一个轴承。水从导向叶片110进入叶轮107，该叶轮107装在轴141上，因此水的动能可使叶轮107和轴141转动，从而带动与轴141一端相连的发电机(图中未示)转动，进而发出电能。

实施本发明的部件是叶轮107、导向叶片110、上叶轮盖111和下叶轮盖112。当流入叶轮107的水中含有较多沙粒时，沙粒的撞击导致叶轮107、导向叶片110、上叶轮盖111和下叶轮盖112发生沙石磨损。为防止这种沙石磨损，叶轮107、导向叶片110及上下叶轮盖111、112的水流速较高或粒子撞击频率较高的部分，即预计将产生沙石磨损的部分上涂敷Cr₃C₂-20％NiCr膜，而在其余部分上涂一种含50％重量百分率氧化铝微粒于其中的环氧树脂。Cr₃C₂-20％NiCr膜和环氧树脂表面膜相互叠置，前者处于下层，后者处于上层。

下面将以叶轮107和导向叶片110为例详细描述本发明。

图24是叶轮107的示意性透视图。在图24中，图标171代表一顶(冠部)；172代表一个带；173代表叶片。顶171和叶片173，及带172和叶片173焊接在一起，以形成叶轮107。图25是顶171和叶片173间的焊接部分的放大剖面图。在图25中，为避免繁杂，不仅顶171和叶片173没打剖面线，焊接部分也没打剖面线。

鉴于一高的流速和一高的撞击频率，叶片173在其整个表面涂有一Cr₃C₂-20％NiCr表面膜108，顶171和带172在其内表面上也涂有Cr₃C₂-20％NiCr表面膜108。环氧树脂表面膜109不仅涂敷在叶轮107的整个表面上而且涂敷在涂有Cr₃C₂-20％NiCr表面膜108的部分上。叶轮内面，受到高速水流冲击，因此最好在其整个表面上涂Cr₃C₂-20％NiCr表面膜108，但是，顶171和叶片173，及带172和叶片173，不能预先涂敷火焰涂敷膜，因为它们要相互焊接形成叶轮107。因此，焊接部分要在焊接后涂敷环氧树脂表面膜109以形成一种防止沙石磨损的结构。

下面将参照附图26以叶轮107为例描述本发明的一个制造方法的实施例。图26是本发明实施例之水轮机107的制造方法的流程图。首先，要单独准备顶171、带172和叶片173。之后，用快速火焰涂敷法在顶171、带172和叶片173上各自涂敷Cr₃C₂-20％NiCr表面膜。在涂Cr₃C₂-20％NiCr表面膜时，需将一比Cr₃C₂-20％NiCr表面膜厚两倍或更多倍的金属板应用在将要焊接的部分上，以防止该部分被Cr₃C₂-20％NiCr表面膜覆盖。如果该金属板比Cr₃C₂-20％NiCr表面膜厚两倍或更多倍，那么它就可以有足够的抵抗强度和一足以抵抗快速火焰涂敷法中的高速气体的热阻，以此来防止断裂和飞溅。再有，当金属板的厚度比表面膜厚两倍或更多倍时，遮蔽部分的表面膜和涂敷部分不会相互融合，因此可以形成满意的表面膜端部。

接下来，顶171和叶片173、及带172和叶片173彼此焊接在一起形成叶轮107。进行完这种焊接工作后，焊接部分基本呈一合适的圆形以避免运转中的应力集中。而后，将叶轮107放入一个炉中，接受一去应力处理，在该处理中，叶轮107在350到650℃，最好是400到650℃温度范围内保持1到30个小时。在本实施例中，叶轮107在550℃下保持15小时，然后随炉冷却。这里，该15小时是在550℃下保持的时间。在550℃下加热时，保持约5小时或更长时间表面膜的硬度就会增加，保持约10小时附着性就会得到显著的改善。叶轮是一大尺寸构件，其很难被快速加热或冷却，而且从表面膜的热应力上讲快速的温度变化也不合适。因此叶轮在炉中在550℃温度下保持15小时后，随炉一起冷却。取得一足够的冷却后，去除圆形焊接部分的氧化膜。

这些工作做完后，将叶轮107除与轴141相配合面外的其余表面全部涂上环氧树脂膜。在本实施例中，使用了一种溶剂，该溶剂是通过将50％重量百分率的微粒直径为10到40微米的氧化铝和10％重量百分率的硬化剂与双环氧树脂混合而制得。这种溶剂被涂抹在叶轮107除了与轴141的配合面外的其余表面上，然后将其加热，并设定在预定条件下，以便使其烘干。

下面将描述导向叶片110，也即，实施本发明的另一部件。图27是导向叶片110的外视图。该导向叶片110由一轮轴201和一叶片部分202组成，在图27中，涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜和环氧树脂表面膜的部分打有网格线，该部分不是剖面。导向叶片110置于叶轮入口之前，以便借助其叶片部分202的角度形成一令人满意的水流进入叶轮。由于，该叶片部分202受到高频率粒子的冲击易于发生沙石磨损，因此其需要涂敷一种抗磨损表面膜。在本实施例中，该叶片部分202整个表面涂敷Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜，在该涂敷膜之上还涂有环氧树脂表面膜。

图28是本发明另一实施例之立式泵115的示意性剖面图。一支撑若干叶片116的轴117由与该轴117一端相连的主转动装置(图中未示)驱动旋转，因此，水从一吸入口251吸入，从一排出口252排出。在图28中，图标118代表一轴承；119代表一轴封；及120代表一外壳。

实施本发明的部件是叶片116和外壳120的一部分。通过举例的方式来描述叶片116。图29是叶片116的示意性外视图。该叶片116由叶片部分261和轮轴262组成，且叶片部分252固定在轮轴的端部上。在图29中，涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜和环氧树脂表面膜的部分打有网格线，该部分不是剖面。本实施例之立式泵被用作一个泄洪控制泵或一个电站的水循环泵。当该立式泵在一条大河，如黄河中使用时，粒子可能会猛烈地撞击叶片116，从而造成沙石磨损。在本实施例中，为避免叶片116的这种沙石磨损，叶片部分261的整个表面都涂有Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜，而且在该涂敷膜之上还涂有环氧树脂表面膜。该叶片116通常是铸件，或由铸钢制成，并且经常潜入水中使用。如果是铸钢，涂Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜，在下面的铁材料和Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜之间会发生电腐蚀。环氧树脂表面膜109不仅用于提高抗磨损性，而且用于防止电腐蚀和提高抗腐蚀性。

下面将说明上述实施例所共有的效果、作用和试验结果。

Cr₃C₂-20％NiCr表面膜的硬度会随Cr₃C₂含量的变化而变化。当Cr₃C₂含量增加时，表面膜的硬度提高，但是其韧性下降并变脆以致使表面膜开裂并剥落，从而使可靠性降低。已对Cr₃C₂-20％NiCr表面膜中的Cr₃C₂含量进行了试验。从试验结果发现，重量百分率在50到90％对于抗沙石磨损和抗气蚀性较合适。如果，沙石密度较高，如在黄河、长江或下过暴雨的河中，就必须提高Cr₃C₂的含量以增加表面膜的硬度。在这种情况下，Cr₃C₂的含量最好为70到90％重量百分率。从抗腐蚀性、表面膜硬度和韧性上考虑，以Ni、Cr或Co作为表面膜的金属成分是比较合适的。所以出于抗腐蚀性、表面膜硬度和韧性上考虑，从中选出一种或将其中几种结合将是恰当的。

Cr₃C₂-20％NiCr表面膜具有一约Hv1000的维氏硬度和一极佳的抗腐蚀性。组成沙石的主要物质是长石和石英石，其中的石英石最高硬度为Hv1000。当表面膜的硬度超过冲击粒子的硬度时，抗磨损性快速提高，因此通过涂敷具有一约Hv1000硬度的表面膜就可提供一足够的抗沙石磨损或抗气蚀能力。

由于，火焰喷涂膜中有一定数量的细小洞穴，因此Cr₃C₂-20％NiCr表面膜的厚度必须为0.1mm或更厚，以体现出极佳的抗腐蚀和抗磨损性。另一方面，随着火焰喷涂膜厚度的增加，其内应力也随之增加，以致降低了附着性。从附着性这一点上看，Cr₃C₂-20％NiCr表面膜只能为1.0mm厚或更薄。再有，从Cr₃C₂-20％NiCr表面膜的抗磨损能力方面考虑，膜厚1.0mm就可保证足够长的寿命，出于减少工作量和节约能源的考虑，膜厚最好为1.0mm或更薄。

在本实施例中，将Cr₃C₂-20％NiCr表面膜作为火焰涂敷膜，但是，本发明并不限于此种成分。当被处理水中的沙石密度较高以致需一更高硬度的表面膜时，WC-NiCr表面膜或WC-Co表面膜是理想选择。这些WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜在硬度和抗沙石磨损性上要比Cr₃C₂-20％NiCr表面膜优越，但是，它们由于硬度较高导致韧性下降，所以易于开裂。这就意味着WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜在既无砾石碰撞，沙石密度又不高的情况下使用是最好的。

如果表面膜是WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜，表面膜的硬度随WC含量的不同会有所变化，这与Cr₃C₂-20％NiCr表面膜的情况相同。当WC含量增加时，表面膜的硬度提高，但是其韧性下降并变脆以致使表面膜开裂并剥落，从而使可靠性降低。WC含量处于50到90重量百分率范围内时，可以达到一足够的抗沙石磨损表面膜硬度，同时可保持一定的韧性。再有，在此范围内，表面膜具一Hv1000或更高的硬度，因此可以取得极好的抗腐蚀和抗磨损性以防止产生沙石磨损。

如果表面膜是WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜，在这些表面膜内，与Cr₃C₂-20％NiCr表面膜相类似，具有一定数量的细微孔洞。因此为了呈现出极佳的抗腐蚀和抗磨损性，该表面膜必须具有一0.1mm或更厚的厚度。另一方面，随着表面膜厚度增加，表面膜内的应力也随之增加，以致降低了附着性。从附着性这一点上看，WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜只能为0.5mm厚或更薄。再有，从WC-NiCr表面膜和WC-Co表面膜的抗磨损能力方面考虑，膜厚0.5mm就可保证足够长的寿命，出于减少工作量和节约能源的考虑，膜厚最好为0.5mm或更薄。

在前述实施例中，Cr₃C₂-20％NiCr表面膜上还涂有厚度为1到2mm的环氧树脂表面膜。其它没有涂Cr₃C₂-20％NiCr表面膜的部分，流过流体的流速较低，而且受到沙石碰撞的频率也较低。但是，若不对沙石磨损进行检测，沙石磨损和气蚀仍会造成磨损，从而严重地降低了性能。再有，如没有进行火焰涂敷工作的足够空间，就不可能涂敷令人满意的火焰涂敷表面膜。

在流速较高的区域，环氧树脂表面膜缺乏一足够的抗沙石磨损和抗气蚀性。如果将陶瓷微粒如氧化铝微粒分散在环氧树脂表面膜中来增加表面膜的硬度，就可以在流速相对较低、沙石碰撞频率也较低的区域呈现出足够的抗磨损性。再有，与火焰涂敷膜不同，甚至可在诸如通道内部等没有足够空间的部位轻易地涂上一层满意的表面膜。一般地，火焰涂敷膜的剥落总是从表面膜的端部开始的。通过在火焰涂敷膜上另涂环氧树表面膜，火焰涂敷的端部变成了环氧树表面膜的下层从而抑制了从表面膜端部开始的剥落，因此提高了可靠性。简而言之，通过将Cr₃C₂-20％NiCr火焰涂敷膜与环氧树脂表面膜形成的双层表面膜和单层的环氧树脂表面膜相结合，就可提高整个部件的抗磨损性。

在本实施例中，所述的树脂表面膜由一种通过将具有一10到40微米颗粒直径的50％重量百分率氧化铝微粒和10％重量百分率硬化剂与双环氧树脂混合而制备成的树脂来举例说明的。增加氧化铝的含量可以提高树脂表面膜的硬度，但是其韧性会降低并变脆，以致容易发生表面膜破裂，这就降低了可靠性。如果氧化铝微粒的含量在20到70％重量百分率范围内，那么抗沙石磨损性和韧性可兼得。另一方面，微粒的直径最好与碰撞沙粒的直径相同或比其更大。据说河水中所含的沙粒有一约8到12微米的微粒直径。假如在河水中使用，渗入微粒的尺寸最好为10微米或更大。

在本实施例中，树脂膜是由含有氧化铝微粒的环氧树脂表面膜来举例说明的，但是，本发明并不限于此成分。该树脂膜可以是一种硬橡胶、聚乙烯或聚酯的内衬的表面膜。与环氧树脂表面膜一样，这些表面膜也可极好地涂敷狭窄空间，如通道内部，还可以与无机微粒，如氧化铝微粒混合。由于树脂表面膜可以形成一比火焰涂敷膜厚的表面膜，因此对于流过流体的流速较低且所受沙石碰撞频率也较低的部分，可以显示出一足够的抗磨损性。

另一方面，混合用的微粒也不限于氧化铝，还可以其它金属粉末，如铁、铜或不锈钢，或陶瓷微粒，如氧化钛、氧化镁、氧化铬、氧化硅、碳化铬、碳化钨、碳化硅或氮化硅。混合微粒的直径最好比碰撞粒子的直径大，如前面所述。

此外，当不以环氧树脂表面膜而是以硬橡胶、聚乙烯或聚酯的内衬的表面膜来举例说明树脂表面膜时，涂敷法也应限于涂抹/烘干法。

根据本发明，可以获得一种泵或水轮机，该泵或水轮机在抗磨损和抗腐蚀性方面是如此的优秀以致于其可以在流体中含有沙石的情况下使用，并能够以一合理的成本高效地制造该泵或水轮机。

Claims (10)

1.一种水轮机，它包括：一个其内具有一流体通道的外壳；和一个设置有在该外壳内的可与所述通道内的流体一同转动的旋转构件，

其特征在于：所述水轮机与所述通道内的流体相接触的面，至少在其部分上涂有：一含有至少一种从包括一种碳化铬、一种碳化钨、镍、铬和钴的组中选出的物质的第一表面膜；和一含有至少一种从包括硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯的组中选出的物质的第二表面膜。

2.如权利要求1所述的水轮机，其特征在于：其具有一区域，在该区域所述第一表面膜上涂有所述第二表面膜。

3.如权利要求1或2所述的水轮机，其特征在于：与所述流体相接触的整个表面都涂有所述第二表面膜。

4.一水轮机的部件，其特征在于：与一流体相接触的面，至少在其部分上涂有：一含有至少一种从包括一种碳化铬、一种碳化钨、镍、铬和钴的组中选出的物质的第一表面膜；和一含有至少一种从包括硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯的组中选出的物质的第二表面膜。

5.如权利要求4所述的部件，其特征在于：其具有一区域，在该区域所述第一表面膜上涂有所述第二表面膜。

6.如权利要求4或5所述的一水轮机的部件，其特征在于：与所述流体相接触的整个表面都涂有所述第二表面膜。

7.一种制造一水轮机的方法，该水轮机包括：一个其内具有一流体通道的外壳；和一个设置在该外壳内的可与所述通道内的流体一同转动的旋转构件，该方法包括：将用于外壳或旋转构件的构成部件的表面的至少一部分上涂敷一含有至少一种从包括一种碳化铬、一种碳化钨、镍、铬和钴的组中选出的物质的第一表面膜；之后，在相同部位涂敷一含有至少一种从包括硬橡胶、环氧树脂、聚乙烯和聚酯的组中选出的物质的第二表面膜。

8.如权利要求7所述的水轮机制造方法，还包括在涂敷所述第一表面膜之后涂敷所述第二表面膜之前在350到650℃的温度下加热1到30小时。

9.如权利要求7所述的水轮机制造方法，还包括在涂敷所述第一表面膜之后涂敷所述第二表面膜之前在400至650℃的温度下加热1到30小时。

10.如权利要求7至9任一项所述的制造水轮机的方法，其特征在于：所述第一表面膜上至少覆盖有一部分所述第二表面膜。

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