碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種碳化鎢氮化鉻復(fù)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(shè)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。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是：能夠較好的適用于惡劣工況中。
【專利說明】碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及閥門【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種超硬耐磨閥門。本發(fā)明還涉及該超硬 耐磨閥門的制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 閥門為工業(yè)設(shè)備中之關(guān)鍵控制部件，廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、電力、食品、醫(yī) 藥、給排水、氣體輸送等各個(gè)行業(yè)。在一些惡劣的工作環(huán)境下，比如石油化工等行業(yè)中，存在 高沖刷性、強(qiáng)腐蝕性以及高溫高壓氣、固、液三相流的高雜質(zhì)磨損等惡劣工況，這種使用環(huán) 境對(duì)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(shù)是指材料經(jīng)過表面預(yù)處理后，通過表面改性、表面涂覆或多種表面 技術(shù)復(fù)合處理，改變基體表面的表面形態(tài)、化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)等，以獲得所需 表面性能的系統(tǒng)工程。其中，表面涂覆是表面工程技術(shù)的重要組成部分。為了延長(zhǎng)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(shù)對(duì)閥門基體進(jìn)行改性，提高其硬度、耐 磨性和耐蝕性。
[0004] 目前，閥門產(chǎn)品無論采用哪種涂層技術(shù)，大都使用單一的涂層材料。對(duì)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(dǎo)致產(chǎn)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(jié)合強(qiáng)度不高，使用過程中容易產(chǎn)生涂層脫落的問題。這些方面的不足，都 會(huì)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(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是提供一種碳化鎢氮化鉻復(fù)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(diǎn)。本發(fā)明還公開了該碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門 的制備方法。
[0006] 本發(fā)明所采用的第一個(gè)技術(shù)方案是：碳化鎢氮化鉻復(fù)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(shè)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1?5 μ m。
[0008] 本發(fā)明的碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門所具有的優(yōu)點(diǎn)是：能夠較好的適 用于惡劣工況中。本發(fā)明的碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門充分吸收了 WC涂層和 CrN涂層的優(yōu)點(diǎn)，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(jié)合強(qiáng)度；CrN作為閥門頂涂層，抗氧化性能好，有利于提 高產(chǎn)品的耐蝕特性。同時(shí)，由于WC涂層存在不同程度的孔隙率，在一些強(qiáng)腐蝕環(huán)境中服役， 需要進(jìn)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(duì)WC底涂層封孔的作 用。而且，CrN頂涂層具有微細(xì)結(jié)構(gòu)，在涂層內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力，抗裂紋擴(kuò)展能力強(qiáng)，CrN頂涂 層表面光滑，能有效阻止橫裂紋的擴(kuò)展，同時(shí)降低摩擦系數(shù)。換句話說，二種涂層配合使用， 有利于發(fā)揮不同涂層的各自優(yōu)勢(shì)，使碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門達(dá)到高性能， 應(yīng)用于惡劣工況等特殊領(lǐng)域，提高使用壽命。
[0009] 本發(fā)明所采用的第二個(gè)技術(shù)方案是：碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門的制 備方法，包括以下步驟：
[0010] 1)預(yù)處理：對(duì)閥門基體表面依次進(jìn)行預(yù)加工、表面凈化和表面活化的預(yù)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(xù)燃燒，產(chǎn)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?dú)鉃樗头蹥?體，攜帶WC粉末進(jìn)入高速焰流中，經(jīng)加熱、加速，噴射到工件表面形成涂層，主要噴涂參數(shù) 為：煤油流量20?30L/h，氧氣流量50?60m 3/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(jīng)濺射產(chǎn)生Cr原子或離子，與工作氣體中的N2反應(yīng)生成CrN，沉積在基體表面，形成CrN 涂層，主要沉積參數(shù)為：工作氣體壓強(qiáng)0. 5?3Pa，Ar和N2流量由質(zhì)量流量計(jì)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(fā)明的碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門的制備方法所具有的優(yōu)點(diǎn)是：易 于實(shí)現(xiàn)。該方法中所使用的設(shè)備均在工業(yè)中廣泛應(yīng)用，工藝過程簡(jiǎn)單，易于控制，適合大規(guī) 模生產(chǎn)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，具有良好的工業(yè)應(yīng)用前景。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0014] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明：
[0015] 圖1是本發(fā)明的實(shí)施例的碳化鎢氮化鉻復(fù)合涂層的超硬耐磨閥門表面結(jié)構(gòu)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(shí)施方式】
[0017] 實(shí)施例1
[0018] 見圖1所示：碳化鎢氮化鉻復(fù)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(shè)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5 μ m。
[0019] 其制備方法包括以下步驟：
[0020] 1)預(yù)處理：對(duì)該閥門基體10表面依次進(jìn)行預(yù)加工、表面凈化和表面活化的預(yù)處 理。其中，表面預(yù)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(xù)燃燒，產(chǎn)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?dú)鉃樗头蹥怏w，攜帶WC粉末進(jìn)入高速焰流中，經(jīng)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(shù)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(tǒng)設(shè)備可以分為四個(gè)部分：機(jī)械手控制的噴槍、控制系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)。
[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(jīng)濺射產(chǎn)生Cr原子 或離子，與工作氣體中的N2反應(yīng)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(shù)為：工作氣體壓強(qiáng)0. 5Pa，Ar和N2流量由質(zhì)量流量計(jì)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(shè)備。
[0023] 這樣，形成成品1。
[0024] 實(shí)施例2
[0025] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于：
[0026] 該碳化鎢氮化鉻復(fù)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(shù)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(shù)為：工作氣體壓強(qiáng)IPa，Ar和N2流量由質(zhì)量流量計(jì)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(shí)施例3
[0032] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于：
[0033] 該碳化鎢氮化鉻復(fù)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(shù)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(shù)為：工作氣體壓強(qiáng)2Pa，Ar和N2流量由質(zhì)量流量計(jì)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(shí)施例4
[0039] 與實(shí)施例1的區(qū)別在于：
[0040] 該碳化鎢氮化鉻復(fù)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1 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(shù)為：工作氣體壓強(qiáng)3Pa，濺射電流2A，沉積溫度700°C。
[0044] 這樣，形成成品4。
[0045] 實(shí)驗(yàn)例
[0046] 取成品1?4,經(jīng)常規(guī)實(shí)驗(yàn)，
[0047] 廣品 成品1 成品1 成品3 成品4 常規(guī)產(chǎn)品 性能 * _ _ 2200 2000 1900 1900 989 表面硬度 /HV 耐磨性能 〇 〇 〇 〇 η 1.2* 10'8 1.45* 10.8 1.35*10.8 1.5*10. χ 1.4*10'7 /(mm3/NM) 耐腐蝕性能 Μ12 〇〇12 〇〇12 °· 013 α11 /(mm/年） 磨鯀數(shù) | 〇.25 | 〇. 25 | 02 | 〇2 | 〇,3「
[0048] 從上表可以得到本產(chǎn)品無論從硬度，耐磨、耐腐蝕及摩擦系數(shù)等指標(biāo)都做優(yōu)于常 規(guī)產(chǎn)品。
[0049] 以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用 本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān) 的【技術(shù)領(lǐng)域】，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 碳化鎢氮化鉻復(fù)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(shè)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(jù)權(quán)利要求1所述的碳化鎢氮化鉻復(fù)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1?5 μ m。
【文檔編號(hào)】C23C4/10GK203906936SQ201420195917
【公開日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】易松達(dá), 張彥, 王昌林 申請(qǐng)人:寧波豐基特種閥門有限公司