CN105543760A - 高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法 - Google Patents

高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：S100、球体基体预处理；S200、使用超音速火焰喷涂工艺制备涂层底层；S300、球体磨削、研磨；S400、超声波清洗球体；S500、离子清洗球体；S600、采用磁控溅射工艺在球体表面制备涂层面层。本发明的优点是使用本发明在高温高压氧阀球体表面制备的耐磨涂层硬度高、耐磨性好，摩擦系数低，涂层致密无孔隙，高压状态下试压阀门100%无泄漏。

Description

高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法
技术领域
本发明涉及耐磨涂层及其制备技术领域，特别是一种高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法。
背景技术
随着工业现代化的迅速发展，大型石化装置、化工装置的参数在不断提高，高温高压氧气阀门的参数范围也在不断提高，氧气阀门的需求量和需求范围也在不断扩大，高温高压氧气阀门已成为大型石化装置、化工装置中的关键设备之一，其性能的好坏直接影响着整套装置的安全、可靠运行，影响着生产产品的品质。
在实际使用过程中，高温高压状态下，纯氧气对阀体造成应力腐蚀和氧化腐蚀，同时还存在着密封比压作用下的密封面与球体之间的摩擦磨损，造成密封面磨损严重而导致泄漏。为了保证高温高压氧气阀门的密封性，延长其服役寿命，应尽可能提高阀门密封面耐磨耐蚀性，降低其摩擦系数。
表面工程技术是高端阀门普遍采用的一种提高产品质量，延长服役寿命的先进工艺。目前，阀门产品绝大部分采用普通火焰喷熔技术或超音速火焰喷涂技术在其表面制备耐磨涂层，然而对于高温高压氧阀来说，其基体材料一般采用美国标准ASTMA494规定的镍铬合金(Inconelxxx)或镍铜合金(Monelxxx)，传统火焰喷熔工艺并不适宜此种基体材料，而采用超音速火焰喷涂技术制备单一WC或Cr3C2涂层，由于其工艺特点，涂层中存在1%左右的孔隙，在高压状态下使用无法保证阀门100%无泄漏。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，提高阀门密封面耐磨性，降低摩擦系数，延长其服役寿命。
为了实现上述目的，本发明提供了一种高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，顺序包括以下步骤：
S100、球体基体预处理；
S200、使用超音速火焰喷涂工艺制备涂层底层；
S300、球体磨削、研磨；
S400、超声波清洗球体；
S500、离子清洗球体；
S600、采用磁控溅射工艺在球体表面制备涂层面层；
上述的方法，其中，在所述步骤S100中，包括步骤：
S110，采用棉布或鬃毛刷蘸取丙酮清洗阀门球体表面油污；以及
S120，采用射吸式喷砂机对球体表面进行喷砂粗化，砂粒选用24～60目白刚玉，所述喷砂毛化工艺参数：喷砂距离80～100mm，喷砂角度45～60°，压缩空气压力0.2～0.4MPa。
上述的方法，其中，在所述步骤S200中，包括步骤：
S210，优选25%NiCr-Cr3C2粉末作为耐磨涂层底层用喷涂粉末，粉末粒度15～45um，喷涂前将粉末放置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度90～100℃，干燥时间2～3h;
S220，将阀门球体安装在卧式转台上，采用超音速火焰喷涂工艺在阀门球体表面制备耐磨涂层。所述超音速火焰喷涂的工艺参数为：氧气流量：1800～2000scfh，煤油流量：5～6.5gph，载气流量：19～23scfh，送粉率：5～8rpm，喷涂距离：350～380mm，喷枪移动速度40～50m/min,预热温度为90～120℃，所述耐磨涂层底层厚度为250～300um。
上述的方法，其中，在所述步骤S300中，包括步骤：
S310，将喷涂好的阀门球体安装在球形磨床上，采用立方氮化硼砂轮将阀门球体磨削至图纸要求尺寸，所述磨削工艺参数为：立方氮化硼砂轮粒度：80～100#，砂轮旋转速度：25～35m/s，轴向进给量：0.5～1m/min，球体旋转速度：10～20m/min；
S320，将磨削好的工装放置在研磨工装上，球体与阀座配合研磨，优选金刚石研磨膏作为研磨剂；
上述的方法，其中，在所述步骤S400中，包括步骤：
S410，将研磨好的阀门球体依次经过清洁剂、自来水、丙酮、去离子水进行超声波清洗，各工序清洗时间均为10～15min；
S420，将经过超声波清洗后的阀门球体在烘箱中烘干，烘干温度：90～120℃，烘干时间10～15min；
上述的方法，其中，在所述步骤S500中，包括步骤：
S510，将烘干后的阀门球体装入磁控溅射真空室旋转支架，抽真空至2～5×10-1Pa，然后向真空室通入Ar气；
S520，在真空室压力为2～5Pa时开启旋转支架和偏压电源，利用氩离子对工件表面进行清洗，清洗时间10～15min；
上述的方法，其中，在所述步骤S600中，包括步骤：
S610，通入N2气，在球体表面制备CrN面层，所述CrN面层制备工艺参数为：Ar:N2流量比为1:1.5～1:3之间，工作总气压：0.5～10Pa，负偏压：-200～-800V，弧电流：50～80A，沉积温度：250～350℃，沉积时间：45～60min。
本发明的有益功效在于：
使用本发明在高温高压氧阀球体表面制备的耐磨涂层硬度高、耐磨性好，摩擦系数低，涂层致密无孔隙，高压状态下试压阀门100%无泄漏。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1为本申请的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法流程图；
图2为本申请的高温高压氧阀涂层性能及密封性试验结果。
具体实施方式
下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1：
本实施例中，阀门球体材料选用MonelK500，阀门公称尺寸为1英寸，在该球体表面制备复合耐磨涂层，制备方法具体如下：
(1)利用鬃毛刷蘸取丙酮溶液将加工好的MonelK500阀门球体表面油污清洗干净；
(2)将清洗后的阀门球体安装在喷砂专用工装上，利用射吸式自动化喷砂设备对球体进行毛化处理，优选白刚玉作为喷砂材料，砂粒粒径32目，喷砂距离100mm，喷砂角度45°，压缩空气压力0.2MPa。
(3)将喷砂毛化后的阀门球体安装在超音速火焰喷涂工装上，采用超音速火焰喷枪对阀门球体进行喷涂，喷涂材料优选25%NiCr-Cr3C2粉末，粉末粒度15～45um，喷涂前粉末充分干燥。开启超音速火焰喷枪，采用不送粉方式对阀门球体进行预热，预热温度90～120℃(采用红外测温仪检测预热温度)，当阀门球体温度达到设定预热温度时开启送粉器开始喷涂，喷涂参数如下：氧气流量：1850scfh，煤油流量：5.5gph，载气流量：19scfh，送粉率：5rpm，喷涂距离：380mm，喷枪移动速度50m/min。循环喷涂直至涂层厚度达到250～300um。
(4)将喷涂完成后的阀门球体安装在球形磨床上，采用80#立方氮化硼砂轮进行磨削，砂轮旋转速度：35m/s，轴向进给量：0.5m/min，球体旋转速度：20m/min；
(5)将磨削至图纸规定尺寸的阀门球体与对应阀座配合安装在研磨工装上，选用W20、W10、W5三种规格金刚石研磨膏对密封面进行研磨；
(6)将研磨好的阀门球体依次经过清洁剂、自来水、丙酮、去离子水进行超声波清洗，各工序清洗时间均为15min，清洗好后的阀门球体放入干燥箱中进行干燥，干燥温度90℃，干燥时间15min；
(7)将清洗好后的球体装入磁控溅射真空室旋转支架，抽真空至5×10-1Pa，然后向真空室通入高纯Ar气，当真空室压力达到2Pa时开启旋转支架和偏压电源，利用氩离子对工件表面进行清洗，清洗时间15min；
(8)通入N2气，Ar:N2流量比为1:1.5，工作总气压：0.5Pa，在阀门球体表面制备CrN面层，设定负偏压：-200V，弧电流：50A，沉积温度：350℃，沉积时间：45min。
(9)沉积结束后，阀门球体随炉冷却至50℃以下取出，阀门球体表面即可获得致密耐磨涂层。对制备的涂层进行显微硬度测试及摩擦系数测试，实测结果见图2所示，将阀门球体安装在阀体上利用纯N2进行密封性试验，试验压力分别选取低压0.6MPa，中压6.3MPa及高压15MPa，试压结果见图2所示。
实施例2：
本实施例中，阀门球体材料选用MonelK500，阀门公称尺寸为2英寸，在该球体表面制备复合耐磨涂层，制备方法具体如下：
(1)利用鬃毛刷蘸取丙酮溶液将加工好的MonelK500阀门球体表面油污清洗干净；
(2)将清洗后的阀门球体安装在喷砂专用工装上，利用射吸式自动化喷砂设备对球体进行毛化处理，优选白刚玉作为喷砂材料，砂粒粒径24目，喷砂距离80mm，喷砂角度45°，压缩空气压力0.4MPa。
(3)将喷砂毛化后的阀门球体安装在超音速火焰喷涂工装上，采用超音速火焰喷枪对阀门球体进行喷涂，喷涂材料优选25%NiCr-Cr3C2粉末，粉末粒度15～45um，喷涂前粉末充分干燥。开启超音速火焰喷枪，采用不送粉方式对阀门球体进行预热，预热温度90～120℃(采用红外测温仪检测预热温度)，当阀门球体温度达到设定预热温度时开启送粉器开始喷涂，喷涂参数如下：氧气流量：2000scfh，煤油流量：6.5gph，载气流量：22scfh，送粉率：7rpm，喷涂距离：350mm，喷枪移动速度40m/min。循环喷涂直至涂层厚度达到250～300um。
(4)将喷涂完成后的阀门球体安装在球形磨床上，采用80#立方氮化硼砂轮进行磨削，砂轮旋转速度：30m/s，轴向进给量：0.5m/min，球体旋转速度：15m/min；
(5)将磨削至图纸规定尺寸的阀门球体与对应阀座配合安装在研磨工装上，选用W20、W10、W5三种规格金刚石研磨膏对密封面进行研磨；
(6)将研磨好的阀门球体依次经过清洁剂、自来水、丙酮、去离子水进行超声波清洗，各工序清洗时间均为15min，清洗好后的阀门球体放入干燥箱中进行干燥，干燥温度90℃，干燥时间15min；
(7)将清洗好后的球体装入磁控溅射真空室旋转支架，抽真空至5×10-1Pa，然后向真空室通入高纯Ar气，当真空室压力达到5Pa时开启旋转支架和偏压电源，利用氩离子对工件表面进行清洗，清洗时间15min；
(8)通入N2气，Ar:N2流量比为1:3，工作总气压：6Pa，在阀门球体表面制备CrN面层，设定负偏压：-700V，弧电流：75A，沉积温度：350℃，沉积时间：60min。
(9)沉积结束后，阀门球体随炉冷却至50℃以下取出，阀门球体表面即可获得致密耐磨涂层。对制备的涂层进行显微硬度测试及摩擦系数测试，实测结果见图2所示，将阀门球体安装在阀体上利用纯N2进行密封性试验，试验压力分别选取低压0.6MPa，中压6.3MPa及高压15MPa，试压结果见图2所示。
实施例3：
本实施例中，阀门球体材料选用Inconel625，阀门公称尺寸为1英寸，在该球体表面制备复合耐磨涂层，制备方法具体如下：
(1)利用鬃毛刷蘸取丙酮溶液将加工好的Inconel625阀门球体表面油污清洗干净；
(2)将清洗后的阀门球体安装在喷砂专用工装上，利用射吸式自动化喷砂设备对球体进行毛化处理，优选白刚玉作为喷砂材料，砂粒粒径32目，喷砂距离80mm，喷砂角度60°，压缩空气压力0.3MPa。
(3)将喷砂毛化后的阀门球体安装在超音速火焰喷涂工装上，采用超音速火焰喷枪对阀门球体进行喷涂，喷涂材料优选25%NiCr-Cr3C2粉末，粉末粒度15～45um，喷涂前粉末充分干燥。开启超音速火焰喷枪，采用不送粉方式对阀门球体进行预热，预热温度90～120℃(采用红外测温仪检测预热温度)，当阀门球体温度达到设定预热温度时开启送粉器开始喷涂，喷涂参数如下：氧气流量：1900scfh，煤油流量：5.5gph，载气流量：23scfh，送粉率：6rpm，喷涂距离：360mm，喷枪移动速度50m/min。循环喷涂直至涂层厚度达到250～300um。
(4)将喷涂完成后的阀门球体安装在球形磨床上，采用80#立方氮化硼砂轮进行磨削，砂轮旋转速度：35m/s，轴向进给量：1m/min，球体旋转速度：20m/min；
(5)将磨削至图纸规定尺寸的阀门球体与对应阀座配合安装在研磨工装上，选用W20、W10、W5三种规格金刚石研磨膏对密封面进行研磨；
(6)将研磨好的阀门球体依次经过清洁剂、自来水、丙酮、去离子水进行超声波清洗，各工序清洗时间均为15min，清洗好后的阀门球体放入干燥箱中进行干燥，干燥温度90℃，干燥时间15min；
(7)将清洗好后的球体装入磁控溅射真空室旋转支架，抽真空至5×10-1Pa，然后向真空室通入高纯Ar气，当真空室压力达到5Pa时开启旋转支架和偏压电源，利用氩离子对工件表面进行清洗，清洗时间15min；
(8)通入N2气，Ar:N2流量比为1:2，工作总气压：8Pa，在阀门球体表面制备CrN面层，设定负偏压：-800V，弧电流：80A，沉积温度：350℃，沉积时间：60min。
(9)沉积结束后，阀门球体随炉冷却至50℃以下取出，阀门球体表面即可获得致密耐磨涂层。
实施例4：
本实施例中，阀门球体材料选用Inconel600，阀门公称尺寸为2英寸，在该球体表面制备复合耐磨涂层，制备方法具体如下：
(1)利用鬃毛刷蘸取丙酮溶液将加工好的Inconel600阀门球体表面油污清洗干净；
(2)将清洗后的阀门球体安装在喷砂专用工装上，利用射吸式自动化喷砂设备对球体进行毛化处理，优选白刚玉作为喷砂材料，砂粒粒径24目，喷砂距离100mm，喷砂角度60°，压缩空气压力0.4MPa。
(3)将喷砂毛化后的阀门球体安装在超音速火焰喷涂工装上，采用超音速火焰喷枪对阀门球体进行喷涂，喷涂材料优选25%NiCr-Cr3C2粉末，粉末粒度15～45um，喷涂前粉末充分干燥。开启超音速火焰喷枪，采用不送粉方式对阀门球体进行预热，预热温度90～120℃(采用红外测温仪检测预热温度)，当阀门球体温度达到设定预热温度时开启送粉器开始喷涂，喷涂参数如下：氧气流量：2000scfh，煤油流量：6.5gph，载气流量：20scfh，送粉率：8rpm，喷涂距离：350mm，喷枪移动速度50m/min。循环喷涂直至涂层厚度达到250～300um。
(4)将喷涂完成后的阀门球体安装在球形磨床上，采用80#立方氮化硼砂轮进行磨削，砂轮旋转速度：25m/s，轴向进给量：0.5m/min，球体旋转速度：20m/min；
(5)将磨削至图纸规定尺寸的阀门球体与对应阀座配合安装在研磨工装上，选用W20、W10、W5三种规格金刚石研磨膏对密封面进行研磨；
(6)将研磨好的阀门球体依次经过清洁剂、自来水、丙酮、去离子水进行超声波清洗，各工序清洗时间均为15min，清洗好后的阀门球体放入干燥箱中进行干燥，干燥温度90℃，干燥时间15min；
(7)将清洗好后的球体装入磁控溅射真空室旋转支架，抽真空至5×10-1Pa，然后向真空室通入高纯Ar气，当真空室压力达到5Pa时开启旋转支架和偏压电源，利用氩离子对工件表面进行清洗，清洗时间15min；
(8)通入N2气，Ar:N2流量比为1:1.5，工作总气压：10Pa，在阀门球体表面制备CrN面层，设定负偏压：-200V，弧电流：50A，沉积温度：350℃，沉积时间：60min。
(9)沉积结束后，阀门球体随炉冷却至50℃以下取出，阀门球体表面即可获得致密耐磨涂层。
本发明制备的高温高压氧阀球体表面耐磨涂层结构致密、无孔隙存在、涂层硬度高、耐磨性好，摩擦系数小，有效解决了高温高压氧阀密封面易磨损问题，延长了高温高压氧阀服役寿命，同时降低了石化行业维修成本，为石化行业带来可观的经济效益。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，包括以下步骤：
S100、球体基体预处理；
S200、使用超音速火焰喷涂工艺制备涂层底层；
S300、球体磨削、研磨；
S400、超声波清洗球体；
S500、离子清洗球体；
S600、采用磁控溅射工艺在球体表面制备涂层面层。
2.根据权利要求1所述的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S100中，包括以下步骤：
S110，采用棉布或鬃毛刷蘸取丙酮清洗阀门球体表面油污；以及
S120，采用射吸式喷砂机对球体表面进行喷砂粗化，砂粒选用24～60目白刚玉，所述喷砂毛化工艺参数：喷砂距离80～100mm，喷砂角度45～60°，压缩空气压力0.2～0.4MPa。
3.根据权利要求1所述的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S200中，包括以下步骤：
S210，优选25%NiCr-Cr3C2粉末作为耐磨涂层底层用喷涂粉末，粉末粒度15～45um，喷涂前将粉末放置于鼓风干燥箱中进行干燥，干燥温度90～100℃，干燥时间2～3h；
S220，将阀门球体安装在卧式转台上，采用超音速火焰喷涂工艺在阀门球体表面制备耐磨涂层；所述超音速火焰喷涂的工艺参数为：氧气流量：1800～2000scfh，煤油流量：5～6.5gph，载气流量：19～23scfh，送粉率：5～8rpm，喷涂距离：350～380mm，喷枪移动速度40～50m/min,预热温度为90～120℃，所述耐磨涂层底层厚度为250～300um。
4.根据权利要求1所述的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S300中，包括以下步骤：
S310，将喷涂好的阀门球体安装在球形磨床上，采用立方氮化硼砂轮将阀门球体磨削至图纸要求尺寸，所述磨削工艺参数为：立方氮化硼砂轮粒度：80～100#，砂轮旋转速度：25～35m/s，轴向进给量：0.5～1m/min，球体旋转速度：10～20m/min；
S320，将磨削好的工装放置在研磨工装上，球体与阀座配合研磨，优选金刚石研磨膏作为研磨剂。
5.根据权利要求1所述的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S400中，包括以下步骤：
S410，将研磨好的阀门球体依次经过清洁剂、自来水、丙酮、去离子水进行超声波清洗，各工序清洗时间均为10～15min；
S420，将经过超声波清洗后的阀门球体在烘箱中烘干，烘干温度：90～120℃，烘干时间10～15min。
6.根据权利要求1所述的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S500中，包括以下步骤：
S510，将烘干后的阀门球体装入磁控溅射真空室旋转支架，抽真空至2～5×10-1Pa，然后向真空室通入Ar气；
S520，在真空室压力为2～5Pa时开启旋转支架和偏压电源，利用氩离子对工件表面进行清洗，清洗时间10～15min。
7.根据权利要求1所述的高温高压氧阀密封面耐磨涂层的制备方法，其特征在于：所述步骤S600中，包括以下步骤：
S610，通入N2气，在球体表面制备CrN面层，所述CrN面层制备工艺参数为：Ar:N2流量比为1:1.5～1:3之间，工作总气压：0.5～10Pa，负偏压：-200～-800V，弧电流：50～80A，沉积温度：250～350℃，沉积时间：45～60min。
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