陶瓷涂覆技术在阀门中的应用
童幸生
摘要:针对阀门易被腐蚀磨损的情况,提出等离子喷涂陶瓷技术,对阀门进行表面改性。选择旋塞阀的阀芯为对象,以氧化物陶瓷为喷涂材料,阐述等离子喷涂的工艺、设备及参数、涂层厚度设计等,使涂层与基体达到较高的结合强度并使阀门耐腐蚀能力大为提高。
关键词:阀芯;Al2O3陶瓷;等离子喷涂;涂层
0 引言
阀门的泄漏大多是阀芯的腐蚀、磨损所致。阀芯经常进行旋转、移动而受到摩擦作用,由于大多数阀芯材料都是金属材料,因而易腐蚀、易磨损,因此,寻找在金属阀芯上进行表面涂覆一层耐腐蚀,硬度高的材料,可提高阀门的使用寿命。
陶瓷涂覆是一种表面改性新技术,它是利用陶瓷材料硬度高、耐腐蚀、耐磨损等优良性能,采用热喷涂的方式,使基体材料表面形成一层致密涂层,从而提高材料表面性能的方法。在工业上常使用的是等离子喷涂,以等离子弧为热源喷涂陶瓷,其特点是基体的温升较低,不会超过基体的回火温度,不会影响基体的金相组织,可避免工件因受热可能出现的变形和损伤。因此在阀门的阀芯元件上喷涂陶瓷是一种行之有效的方法。
1 陶瓷涂覆对象及材料的选择
1·1 阀芯的选择
阀门在气体输送管路中,应具有良好的强度、硬度、塑性、韧性,选择某一旋塞阀作为研究对象,其阀芯如图1所示。
阀芯的工作面主要是圆锥面,将陶瓷粉末喷涂在此面上。
阀芯的材料选择为45钢。
1·2 涂覆材料的选择
陶瓷喷涂一般以氧化物陶瓷为主,这是因为氧化物陶瓷具有金属和有机高分子材料所没有的独特的特性和功能,特别是耐高温、耐腐蚀等。
氧化物陶瓷的性能见表1。
2 等离子喷涂
2·1 等离子喷涂的选择
等离子喷涂所需的粉末粒度通常是30~100μm,喷枪出口处等离子射流区中部温度达20000K,它可熔化所有金属、合金及陶瓷材料,射流速度快,在喷嘴出口处可达750m/s。合理控制喷嘴到工件的距离、粉末粒度和类型、粉末的引入位置、弧电压和电流、输送粉末的气体种类等参数可得到高质量、性能均匀一致的涂层。新开发的气稳等离子喷涂,涂层与基体的结合及涂层颗粒之间的结合,形成除以机械结合为主外,还可视粉末的种类,产生微区的冶金结合和物理结合形式,研究表明,涂层与基体的结合强度可达70MPa,密度可达85%;可见,等离子喷涂工艺在阀门的密封面强化上有较大的潜力,特别是在阀门的密封面上覆盖陶瓷涂层更具优势。
2·2 等离子喷涂设备及参数
等离子喷涂设备选择80kW型等离子喷涂系统,包括喷涂枪、Ar、N2和H2气供给装置、车床、空气压缩机等辅助设备。经过大量的正交试验,最终优化的喷涂工艺参数见表2。
喷涂距离很重要,喷涂距离恰当,则在该距离粉末的温度最高、速度最大、沉积效率最佳、结合强度最好。为此,确定喷涂距离为80~130mm。喷涂完毕,工件在车床上旋转自然冷却。
2·3 等离子喷涂工艺
2·3·1 工艺流程
喷涂工艺流程为:预清洗———表面粗化———工件表面预热———喷涂结合层———喷涂工作层。
1)预清洗。清除工件表面所有的表面污垢,如氧化皮、油渍、油脂等。利用溶剂清洗,溶剂为1~1·5%聚氯乙烯脂肪醇醚,水余量。在60~80℃温度下浸洗5min。用溶剂清洗不像碱液清洗之后不断要水洗和干燥,所以该溶剂清洗工艺简单。
2)表面粗化。用石英砂对工件表面进行喷砂,使其表面粗糙,并使工件表面产生一定的残余压应力,以利于提高涂层与基体的结合强度。
3)工件表面预热。工件的预热温度选为250℃左右,预热时间根据加热的方法、工件的大小有所不同,一般可用火焰烘烤,也可以在炉中进行。预热可以去掉工件表面的冷凝物,还可使工件预膨胀,以降低涂层应力。另外,还可改善微扩散条件,从而提高涂层和工件表面的结合强度。
4)喷涂结合层。为了使涂层与基体材料良好结合,涂层由结合层和工作层组成。结合层采用镍包铝粉喷涂,粉末粒度180~300目,涂层0·1~0·15mm。结合层的作用是提高结合强度,涂层不宜太厚,否则会降低结合强度。
5)喷涂工作层。工作层采用Al2O3粉末加TiO2粉末喷涂,粉末粒度250~300目,Al2O3具有硬度高、摩擦因数小、化学稳定性好、耐腐蚀性能强的特点,适合于耐滑动摩擦磨损的涂层材料。
2·3·2 涂层厚度的设计
涂层厚度设计和基体材料的性能有关,由于基体与涂层之间结构与状态不同,其性质也有差异。涂层的厚度和基体的粘结强度有关,厚度越大,涂层与基体之间的结合强度就越小,整个涂层所受应力也就大,所以涂层厚度过厚可造成涂层过早脱落损坏。其次是涂层厚度过大,达不到机械配合公差要求且不经济。一般的涂层厚度应控制在0·2~0·5mm。
如图1所示阀芯,已知阀芯大端直径d=26mm,轴的凹切量δ=1mm (半径方向),加工余量Δb=0·4mm, 45钢从室温(30℃)升到喷粉时轴的温度(250℃),其线膨胀系数为a=13·71×10-6/℃,则喷粉后轴的大端直径D为:
D=(d-2δ)(1+aΔT)+2δ+Δb=26·47mm
涂层厚度可控制在0·23mm左右为宜。
工件喷涂完后,可直接用游标卡尺或千分尺测量其厚度。
2·3·3 喷涂层表面保护
在喷涂过程中,如果操作不当,会造成多孔隙、涂层不均等缺陷。等离子喷涂后的基体表面涂层都存在一定的微观孔隙度,对要求具有防腐蚀性能的涂层表面,孔隙度是极为有害的。试验证明,造成涂层剥落的一个很大的原因是由于工作涂层没有起到保护底层不被氧化的作用,应对这类涂层表面采取相应措施,一般可将专用的涂料涂敷在涂层的表面上(如乙烯树脂、油脂等)使涂料浸入到涂层的孔隙中,可提高工作涂层的致密性。
另外在喷砂和喷涂前,还应该对基体的非喷涂表面进行保护,其保护方法可根据非喷涂表面的形状和特点,采用遮蔽方法设计一些简单的保护罩。可采用光滑的、不与涂层材料适应的材料即喷涂不上涂层的材料作为遮蔽物。在某些情况下,可以采用带有清理刷的连续移动的带子作遮蔽物。这种方法常用于旋转零件的遮蔽。
阀座可不用遮蔽,喷涂后只要对配合的部位磨削即可。
3 结论
1)阀芯基体表面上喷涂氧化物陶瓷,涂层同基体有较高的结合强度。阀芯整体具有较好的韧性,表面又有足够的耐磨性和耐腐蚀性。
2)旋塞阀经过质量检测部门的检验,密封效果良好;将阀门与氧气瓶相连后置于水槽内,关闭阀门,逐步调高氧气压力至2MPa,持续2min无泄露现象。
3)选用陶瓷涂覆阀门元件是对传统的工业阀门制造的一次重大变革,对工业产品的结构设计带来新的突破,使得产品结构更为合理,性能更加完善。
参考文献略
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