[发明专利]包含硅共晶合金的工业部件以及制备该部件的方法

说明书

技术领域

本发明整体涉及包含硅(Si)共晶合金的工业部件，并且更具体地讲涉及用于阀的耐磨部件。

背景技术

在众多行业中都存在对于具有良好断裂韧度的耐腐蚀和耐磨陶瓷部件的需要。虽然通用技术陶瓷(如碳化硅、氮化硅等)可能对于一些应用能够在小规模上满足该需要，但是制备其所用的粉末压制技术限制可用零件的尺寸。

最近已认识到可能具有可与技术陶瓷竞争的特性的硅(Si)共晶合金可通过熔铸工艺制造(参见，例如WO2011/022058)。一种挑战为在制造此类合金的过程中，通过对整个熔铸工艺进行足够控制而获得表现出所需的一组机械性能的取向共晶微结构。

发明内容

可采用熔铸方法或工艺来制造基于Si共晶合金的具有复杂形状和大尺寸的耐磨部件。通过控制制造工艺以产生所需的共晶微结构，耐磨部件可以表现出可与广泛使用的技术陶瓷的机械性能竞争的机械性能，如耐磨性和断裂韧度。Si共晶合金可还表现出极佳的耐腐蚀性。本文描述了包含Si共晶合金的工业部件、用于阀的耐磨部件、耐磨阀以及制备耐磨部件的方法。

工业部件可包括具有磨损表面的主体，其中主体和磨损表面均包含Si共晶合金，所述Si共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi₂的第二相的共晶聚集体，其中第二相为二硅化物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至磨蚀性产品，使得磨蚀性产品在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。主体还可以具有或作为另外一种选择具有至少约3.2兆帕·米^1/2(MPa·m^1/2)的断裂韧度。在加热的含酸水溶液中主体还可以具有或作为另外一种选择具有小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。

工业部件可包括含有共晶合金的主体，所述共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M以及含有硅的第一相和式MSi₂的第二相的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相，其中所述主体具有至少约3.2兆帕·米^1/2(MPa·m^1/2)的断裂韧度，并且其中所述主体在加热的含酸水溶液中具有小于1密耳每年(mpy)的腐蚀速率。

用于阀的耐磨部件包括主体，该主体包括阻塞表面和位于阻塞表面周边的密封表面，阻塞表面和密封表面中的至少一者为包含Si共晶合金的磨损表面，所述Si共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M以及含有硅的第一相和式MSi₂的第二相的共晶聚集体；所述第二相为二硅化物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至磨蚀性产品，使得磨蚀性产品在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。

耐磨阀包括：阀主体，其包括入口和出口并限定两者间用于材料从入口到达出口所通过的通道；阀座，其在所述入口和所述出口之间联接到阀主体或与阀主体整体地形成，其中阀座限定用于材料从其中穿过的通道中的开口；以及密封部件，其包括具有阻塞表面和位于阻塞表面周边的密封表面的主体，其中密封部件设置在所述通道内并且被构造为在闭合位置和打开位置之间运动。当密封部件处于闭合位置时，所述密封表面与所述阀座接合并且所述阻塞表面将开口完全阻塞，并且当密封部件处于所述打开位置时，密封表面从所述阀座脱离使得所述开口允许材料从其中穿过。密封部件、阀主体和阀座中的至少一者具有包含Si共晶合金的磨损表面，所述Si共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi₂的第二相的共晶聚集体。所述第二相为二硅化物相。

制备耐磨部件的方法包括：将硅和一种或多种金属元素M熔融在一起以形成包含硅和一种或多种金属元素M的共晶合金熔体；从共晶合金熔体定向地移除热以定向凝固共晶合金熔体，并且形成具有包含共晶合金的磨损表面的耐磨部件，所述共晶合金包含硅、一种或多种金属元素M，以及含有硅的第一相和式MSi₂的第二相的共晶聚集体，所述第二相为二硅化物相。磨损表面具有耐冲蚀磨损性，当磨蚀性产品通过其上时，该耐冲蚀磨损性足以限制一种或多种金属元素M中的至少一者从磨损表面转移至磨蚀性产品，使得磨蚀性产品在通过后具有一种或多种金属元素M中的至少一者的十亿分之200(ppb)或更低的污染水平增加。