碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門，包括閥門基體，所述閥門基體表面從里到外依次設有采用超音速火焰噴涂方法噴涂的WC底涂層和采用磁控濺射方法沉積的CrN頂涂層。本發明的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門所具有的優點是：能夠較好的適用于惡劣工況中。本發明還公開了該碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的制備方法。
【專利說明】碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門及其制備方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及閥門【技術領域】，尤其是涉及一種超硬耐磨閥門。本發明還涉及該超硬耐磨閥門的制備方法。
【背景技術】
[0002]閥門為工業設備中之關鍵控制部件，廣泛應用于石油、化工、冶金、電力、食品、醫藥、給排水、氣體輸送等各個行業。在一些惡劣的工作環境下，比如石油化工等行業中，存在高沖刷性、強腐蝕性以及高溫高壓氣、固、液三相流的高雜質磨損等惡劣工況，這種使用環境對閥門的要求非常高，需要使用高性能的超硬耐磨閥門。
[0003]表面工程技術是指材料經過表面預處理后，通過表面改性、表面涂覆或多種表面技術復合處理，改變基體表面的表面形態、化學成分、組織結構和應力狀態等，以獲得所需表面性能的系統工程。其中，表面涂覆是表面工程技術的重要組成部分。為了延長閥門在惡劣工況下的使用壽命，人們普遍選擇表面涂覆技術對閥門基體進行改性，提高其硬度、耐磨性和耐蝕性。
[0004]目前，閥門產品無論采用哪種涂層技術，大都使用單一的涂層材料。對于單一的涂層材料，受限于材料本身的特性，雖然涂層閥門在某些方面的性能良好，但另一些方面的性能可能受到限制，導致產品的綜合性能不高。比如，涂覆有WC涂層的閥門硬度高，耐磨性能好，但閥門的抗氧化性能和耐蝕性能不高；涂覆有CrN涂層的閥門耐蝕性好，也具有較高的硬度，但與基體結合強度不高，使用過程中容易產生涂層脫落的問題。這些方面的不足，都會縮短超硬耐磨涂層的使用壽命，不能滿足閥門在惡劣工況下的使用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的是提供一種碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門，它具有能夠較好的適用于惡劣工況中的特點。本發明還公開了該碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的制備方法。
[0006]本發明所采用的第一個技術方案是:碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門，包括閥門基體，所述閥門基體表面從里到外依次設有采用超音速火焰噴涂方法噴涂的WC底涂層和采用磁控濺射方法沉積的CrN頂涂層。
[0007]所述WC底涂層的厚度為50?500 μ m, CrN頂涂層的厚度為I?5 μ m。
[0008]本發明的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門所具有的優點是:能夠較好的適用于惡劣工況中。本發明的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門充分吸收了WC涂層和CrN涂層的優點，使該閥門具有較高的硬度和耐磨性能，且具有較好的抗氧化能力和耐腐蝕性，能夠適用于較為惡劣的工況中。更具體的說，WC作為閥門底涂層與基體直接接觸，附著性好，有利于提高涂層與基體的結合強度；CrN作為閥門頂涂層，抗氧化性能好，有利于提高產品的耐蝕特性。同時，由于WC涂層存在不同程度的孔隙率，在一些強腐蝕環境中服役，需要進行必要的封孔處理，而WC底涂層之上沉積的CrN頂涂層起到對WC底涂層封孔的作用。而且，CrN頂涂層具有微細結構，在涂層內部產生壓應力，抗裂紋擴展能力強，CrN頂涂層表面光滑，能有效阻止橫裂紋的擴展，同時降低摩擦系數。換句話說，二種涂層配合使用，有利于發揮不同涂層的各自優勢，使碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門達到高性能，應用于惡劣工況等特殊領域，提高使用壽命。
[0009]本發明所采用的第二個技術方案是:碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的制備方法，包括以下步驟:
[0010]I)預處理:對閥門基體表面依次進行預加工、表面凈化和表面活化的預處理；
[0011]2)噴涂底涂層:以WC粉末為噴涂材料，將航空煤油和氧氣霧化混合后噴入燃燒室中連續燃燒，產生高壓焰流，并通過膨脹噴嘴將高壓焰流加速到超音速，以氮氣為送粉氣體，攜帶WC粉末進入高速焰流中，經加熱、加速，噴射到工件表面形成涂層，主要噴涂參數為:煤油流量20?30L/h，氧氣流量50?60m3/h，送粉率70?80g/min，噴涂距離310?350mm,噴涂角度:球面法向，單道次噴涂厚度為10?15μηι;
[0012]3)沉積頂涂層:以純金屬Cr為靶材，以Ar-N2混合氣體為工作氣體，金屬Cr靶材經濺射產生Cr原子或離子，與工作氣體中的N2反應生成CrN，沉積在基體表面，形成CrN涂層，主要沉積參數為:工作氣體壓強0.5?3Pa，Ar和N2流量由質量流量計控制，分壓比1:1?1: 3，濺射電流0.5?2A，濺射電壓100?300V,沉積溫度200?700°C。
[0013]本發明的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的制備方法所具有的優點是:易于實現。該方法中所使用的設備均在工業中廣泛應用，工藝過程簡單，易于控制，適合大規模生產和產業化應用，具有良好的工業應用前景。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明:
[0015]圖1是本發明的實施例的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門表面結構的主視剖視圖。
[0016]圖中:10、閥門基體；20、WC底涂層；30、CrN頂涂層。
【具體實施方式】
[0017]實施例1
[0018]見圖1所示:碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門，包括閥門基體10。該閥門基體10表面從里到外依次設有采用超音速火焰噴涂方法噴涂的WC底涂層20和采用磁控濺射方法沉積的CrN頂涂層30。其中，該WC底涂層20的厚度為50 μ m, CrN頂涂層30的厚度為5μηι。
[0019]其制備方法包括以下步驟:
[0020]I)預處理:對該閥門基體10表面依次進行預加工、表面凈化和表面活化的預處理。其中，表面預加工指的是:球面磨削加工及去毛刺處理；表面凈化采用的方法為:清洗、除銹、除油脫脂處理；表面活化采用的方法為:噴砂粗化或拋光。
[0021]2)噴涂底涂層:該WC底涂層20采用超音速火焰噴涂方法噴涂。具體的，將航空煤油和氧氣霧化混合后噴入燃燒室中連續燃燒，產生高壓焰流，并通過膨脹噴嘴將高壓焰流加速到超音速。以氮氣為送粉氣體，攜帶WC粉末進入高速焰流中，經加熱、加速，噴射到工件表面形成該WC底涂層20。主要噴涂參數為:煤油流量20L/h，氧氣流量50m3/h，送粉率70g/min，噴涂距離310mm，噴涂角度:球面法向，單道次噴涂厚度為10 μ m。該過程采用的噴涂系統設備可以分為四個部分:機械手控制的噴槍、控制系統、送粉系統、冷卻系統。
[0022]3)沉積頂涂層:該CrN頂涂層30采用磁控濺射方法沉積于該WC底涂層20上。具體的，以純金屬Cr為靶材，以Ar-N2混合氣體為工作氣體，金屬Cr靶材經濺射產生Cr原子或離子，與工作氣體中的N2反應生成CrN，沉積在該WC底涂層20表面，形成該CrN頂涂層30。主要沉積參數為:工作氣體壓強0.5Pa，Ar和N2流量由質量流量計控制，分壓比1: 1，濺射電流0.5A，濺射電壓100V，沉積溫度200°C。該過程采用磁控濺射離子鍍層設備。
[0023]這樣，形成成品I。
[0024]實施例2
[0025]與實施例1的區別在于:
[0026]該碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的閥門基體10表面的WC底涂層20的厚度為150 μ m, CrN頂涂層30的厚度為3 μ m。
[0027]其制備方法中:
[0028]步驟2)中的主要噴涂參數為:煤油流量25L/h，氧氣流量55m3/h，送粉率75g/min，噴涂距離330mm,單道次噴涂厚度為15 μ m。
[0029]步驟3)中的主要沉積參數為:工作氣體壓強IPa，Ar和N2流量由質量流量計控制，分壓比1: 2，濺射電流1A，濺射電壓200V，沉積溫度400°C。
[0030]這樣，形成成品2。
[0031]實施例3
[0032]與實施例1的區別在于:
[0033]該碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的閥門基體10表面的WC底涂層20的厚度為260 μ m, CrN頂涂層30的厚度為2 μ m。
[0034]其制備方法中:
[0035]步驟2)中的主要噴涂參數為:煤油流量30L/h，氧氣流量60m3/h，送粉率80g/min，噴涂距離350mm,單道次噴涂厚度為13 μ m。
[0036]步驟3)中的主要沉積參數為:工作氣體壓強2Pa，Ar和N2流量由質量流量計控制，分壓比1: 3，濺射電流1.5A，濺射電壓300V，沉積溫度600°C。
[0037]這樣，形成成品3。
[0038]實施例4
[0039]與實施例1的區別在于:
[0040]該碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的閥門基體10表面的WC底涂層20的厚度為500 μ m, CrN頂涂層30的厚度為I μ m。
[0041]其制備方法中:
[0042]步驟2中單道次噴涂厚度為10 μ m。
[0043]步驟3)中的主要沉積參數為:工作氣體壓強3Pa，濺射電流2A，沉積溫度700°C。
[0044]這樣，形成成品4。
[0045]實驗例
[0046]取成品I?4，經常規實驗，
【權利要求】
1.碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門，包括閥門基體，其特征在于:所述閥門基體表面從里到外依次設有采用超音速火焰噴涂方法噴涂的WC底涂層和采用磁控濺射方法沉積的CrN頂涂層。
2.根據權利要求1所述的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門，其特征在于:所述WC底涂層的厚度為50?500 μ m, CrN頂涂層的厚度為I?5 μ m。
3.根據權利要求1或2所述的碳化鎢氮化鉻復合涂層的超硬耐磨閥門的制備方法，包括以下步驟: 1)預處理:對閥門基體表面依次進行預加工、表面凈化和表面活化的預處理； 2)噴涂底涂層:將航空煤油和氧氣霧化混合后噴入燃燒室中連續燃燒，產生高壓焰流，并通過膨脹噴嘴將高壓焰流加速到超音速，以氮氣為送粉氣體，攜帶WC粉末進入高速焰流中，經加熱、加速，噴射到工件表面形成涂層，主要噴涂參數為:煤油流量20?30L/h，氧氣流量50?60m3/h,送粉率70?80g/min,噴涂距離310?350mm,噴涂角度:球面法向，單道次噴涂厚度為10?15 μ m ; 3)沉積頂涂層:以純金屬Cr為靶材，以Ar-N2混合氣體為工作氣體，金屬Cr靶材經濺射產生Cr原子或離子，與工作氣體中的N2反應生成CrN，沉積在基體表面，形成CrN涂層，主要沉積參數為:工作氣體壓強0.5?3Pa，Ar和N2流量由質量流量計控制，分壓比1:1?1: 3，濺射電流0.5?2A，濺射電壓100?300V，沉積溫度200?700°C。
【文檔編號】F16K27/00GK103953772SQ201410163269
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年4月21日 優先權日:2014年4月21日
【發明者】易松達, 張彥, 王昌林 申請人:寧波豐基特種閥門有限公司