[发明专利]等离子复合多元叠层渗钴基耐酸性介质冲刷腐蚀合金层的新方法

说明书

技术领域

本发明提供了一种在碳钢材料表面制备叠层Co基耐酸性介质冲刷腐蚀的合金渗层的新方法。适用于先进的表面制备冲刷腐蚀材料领域，涉及到渗层合金材料种类及表面叠层制备工艺。适用于输酸泵、超声污水处理等在酸性环境工作的设备的表面规模化处理与生产。

背景技术

冲刷腐蚀是材料在承受机械作用的同时还与环境介质发生化学或电化学反应而出现的表面材料流失现象，简称为冲蚀。其主要的作用形式是腐蚀介质(液体或气体)携带的固体粒子(或气泡)对固体靶材冲击造成的材料表面流失。与应力腐蚀、氢脆或腐蚀疲劳现象相同，腐蚀磨损也是应力和化学介质协同作用下材料的过早失效现象。腐蚀磨损现象广泛存在于石油、化工化纤、采矿和电力等工业领域的机械设备中，是使这些工业部门的的过流设备和部件(如水轮机、泵体、管道内壁、阀体、喷嘴等)的各种材料失效的主要原因之一。如：各种流量的输卤泵是盐厂及盐加工系统的主要设备，由盐粒和盐水组成的液固两相流冲刷腐蚀是造成其频繁损坏的主要原因，一般泵叶轮的使用寿命仅3-6个月；湿法磷酸生产过程中，萃取槽中的料浆泵承受着由混酸(磷酸和硫酸)、杂质和30％左右的固体颗粒构成的严重的冲刷腐蚀，使得磷酸料浆泵用材一度成为影响磷酸生产的主要问题；原油流化催化裂化装置中的各种油浆泵及前后阀的工作环境中，介质夹带的催化剂颗粒以及油品中的有机酸构成了300-400摄氏度下十分严重的高温液固双相流冲刷腐蚀；火力发电设备中的灰管，因灰渣随水流动而造成的冲蚀，每年减薄3-5mm，最终要将长达数千米直径300mm的灰管更新；采矿及矿物加工行业中各种渣浆泵、阀门和管道也经常承受严重的液固两相流冲刷腐蚀；此外，我国40％水电站的水轮机过流部件在处于空化状态的含沙水流(多相流)中遭受严重的泥沙冲刷磨损和空蚀破坏，导致部件快速失效。据统计，在石油化工、能源交通、农机、建材、矿山、煤矿及冶金、水利电力等行业的机械设备中，冲刷腐蚀造成的损失占总腐蚀量的9％，磨损量的5％。普通的钢铁材料一般难以满足在冲刷腐蚀条件下使用，如普通的低碳钢腐蚀性能差，在腐蚀介质中易于活化腐蚀，限制了其在液固双相流的环境中的使用寿命。钴基合金是一种能耐各种类型磨损和腐蚀以及高温氧化的硬质合金。特别是适用于在兼有耐磨损、耐高温、耐腐蚀的复杂的工况下使用。前期研究表明，直接在碳钢表面在碳钢材料表面制备的Co-Cr-W-Nb合金层中存在一些脆性相，如σ相和Cr₂₃C₆相等，导致涂层在酸性介质中耐冲刷性能差。本发明通过双层辉光等离子多元复合叠层渗技术，在普通的钢铁材料表面先预沉积Co-Ni合金，然后进行Co-Cr-W-Nb多元共渗，预沉积Co-Ni合金有效的降低了脆性相的出现，所制备叠层Co基耐冲刷腐蚀的合金渗层能满足石油、化工化纤和采矿工业领域的机械设备中过流部件对耐酸性介质冲刷腐蚀的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题：采用双辉等离子多元复合叠层渗为技术手段，在低碳钢材料表面制备叠层Co基耐酸性介质冲刷腐蚀的合金渗层，改善低碳钢材料在酸性介质中冲刷条件下的耐蚀与耐磨蚀性能。在廉价低碳钢材料表面高附加值材料，从而节约贵重金属资源。

本发明采用双辉等离子渗工业炉设备，在碳钢材料表面制备叠层Co基合金耐冲刷腐蚀的合金渗层。该渗金属装置具有双阴极结构，两个阴极的电压和电流可以调控，在渗金属过程中一个阴极连接靶材，靶材主要为Co-Ni合金或Co-Cr-W-Nb合金，另一个阴极连接待处理的钢铁材料工件。沉积工艺过程中，炉腔内通入氩气。热电偶放置在离工件2厘米处，用来监控沉积工艺下工件表面附近的温度。

本发明所述的钢铁材料表面制备预先制备2元的Co-Ni合金合金层，然后再制备4元Co-Cr-W-Nb耐酸性介质冲刷腐蚀的合金渗层，叠层的内层由50微米的Co-Cr合金层，叠层的外层由40微米的Co-Cr-W-Nb合金层。

本发明所述的金刚石表面制备纳米金属涂层的装备，其内层的双阴极等离子溅射工艺参数是：

靶材电压：580～1000V

工件电压：200～250V

靶材与工件间距：8～13mm

Ar气压：30Pa

沉积温度：500～600℃

其外层的双阴极等离子溅射工艺参数：

靶材电压：1080～1500V

工件电压：700～850V

靶材与工件间距：8～13mm

Ar气压：38Pa

沉积温度：800～900℃

有益效果：