特材鑄件CN7M表面硬化工藝及耐硫酸腐蝕適應(yīng)性研究

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特材合金鑄件CN7M和鍛件Alloy 20耐磷酸、硝酸及氯化物腐蝕能力優(yōu)秀，廣泛應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥以及塑料工業(yè)等領(lǐng)域。尤其是其耐熱硫酸腐蝕性能優(yōu)良，且比鎳基材料成本低，因而在含硫酸的裝置中廣泛使用。因CN7M材料強(qiáng)度和硬度低，CN7M材質(zhì)閥門在使用過(guò)程中，密封面就很容易劃傷，特別在強(qiáng)腐蝕工況下使用時(shí)尤為明顯，為了提高閥門使用壽命，選擇可靠的硬化方式顯得尤為重要。因CN7M材料中含有w(Cu)3.5%，熱裂紋傾向和堆焊難度較大，且堆焊時(shí)很容易出現(xiàn)基材裂紋。在目前的技術(shù)方案中，CN7M閥門鑄件問(wèn)題最大。因此，對(duì)特材鑄件CN7M閥門密封面表面硬化工藝及其在高溫濃硫酸介質(zhì)中耐腐蝕性能特點(diǎn)進(jìn)行研究。

1 工藝分析

1.1 硬化工藝

(1)表面硬化堆焊方法。CN7M鑄件和Alloy 20鍛件材料的閥門，如閥體、座圈、閘板、閥瓣等，因堆焊時(shí)溫度較高，熱輸入大，易產(chǎn)生熱應(yīng)力裂紋，極易導(dǎo)致堆焊面及CN7M、Alloy 20本體產(chǎn)生裂紋，因此不推薦CN7M鑄件閥門密封面表面硬化堆焊方法。

(2)熱噴涂方法。熱噴涂對(duì)基體的熱影響很小，基體受熱溫度不超過(guò)200 ℃，基體不會(huì)發(fā)生變形和性能變化，對(duì)本體 CN7M、Alloy 20材料不涉及冶金結(jié)合，不改變本體的金相組織，也不會(huì)因溫度高而導(dǎo)致CN7M、Alloy 20本體表面產(chǎn)生裂紋。

(3)噴焊方法。噴焊的工藝程序與噴涂基本相同，不同點(diǎn)在于噴粉工序中增加了重熔程序。噴焊時(shí)，需要對(duì)CN7M、Alloy 20工件材料進(jìn)行預(yù)熱，預(yù)熱溫度如下：碳鋼一般為200～300 ℃，鎳-鉻不銹鋼為350～400 ℃，預(yù)熱火焰用中性或弱碳焰。噴焊時(shí)，使用合金粉末的熔點(diǎn)低于基體熔點(diǎn)，對(duì)基體受熱影響小，有利于減少熱應(yīng)力，從而有效地控制熱應(yīng)力裂紋。

1.2 腐蝕試驗(yàn)

硫酸腐蝕試驗(yàn)參考GB 10124《金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法》、《腐蝕數(shù)據(jù)與選材手冊(cè)》等標(biāo)準(zhǔn)。金屬及涂層材料在腐蝕溶液中進(jìn)行全浸泡腐蝕試驗(yàn)。測(cè)定金屬材料的腐蝕速率，判斷材料的耐腐蝕性能。金屬材料會(huì)產(chǎn)生表面腐蝕痕跡(腐蝕坑、晶間腐蝕)，可綜合判斷金屬的耐腐蝕性能。涂層材料在腐蝕溶液中，若不耐腐蝕則會(huì)出現(xiàn)涂層脫落、脆斷、表面腐蝕等現(xiàn)象，可綜合判斷涂層的耐腐蝕性能。

腐蝕速率(深度法)的計(jì)算公式如下：

式中：R為腐蝕速率，mm/a；m1為試驗(yàn)前試樣質(zhì)量，g；m2為試驗(yàn)后試樣質(zhì)量，g；S為試樣表面積，cm2；T為試驗(yàn)時(shí)間，h；D為材料的密度，g/cm3；87 600為計(jì)算常數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試塊硬化工藝分析

對(duì)CN7M、Alloy 20試塊進(jìn)行噴涂和噴焊，測(cè)試試塊涂層性能。超音速火焰噴涂NiCr涂層、WC-NiCr涂層、WC-CoCr涂層和噴焊Ni55、Ni60試塊(見(jiàn)圖1)，噴涂NiCr、WC-NiCr涂層、WC-CoCr涂層和噴焊Ni55、Ni60的試塊表面及基體，均未發(fā)現(xiàn)裂紋。

圖1 CN7M、Alloy 20試塊表面硬化涂層

閥門若使用CN7M材料，閥體密封面使用硬密封，因CN7M材料硬度低(146HV)，密封面易拉傷，因此，密封面需要硬化處理。噴涂NiCr、WC-NiCr涂層、WC-CoCr涂層或噴焊Ni55、Ni60，硬度滿足密封面使用要求。噴涂NiCr、WC-NiCr涂層、WC-CoCr涂層試塊厚度測(cè)量照片見(jiàn)圖2。

圖2 涂層厚度測(cè)量照片

2.2 CN7M閘板硬化工藝分析

閘板密封面噴涂STL.6和噴焊Ni55，進(jìn)一步驗(yàn)證閘板毛坯表面硬化工藝能否滿足使用要求。同時(shí)，評(píng)估閘板噴涂或者噴焊后，閘板本體CN7M鑄件材料是否產(chǎn)生裂紋缺陷。噴焊Ni55和噴涂STL.6后，對(duì)閘板及其密封面無(wú)損檢測(cè)(PT)(見(jiàn)圖3)，經(jīng)PT檢測(cè)閘板密封面，表面不存在裂紋缺陷。

圖3 閘板密封面硬化及無(wú)損檢測(cè)PT照片

2.3 CN7M閘板壽命試驗(yàn)分析

2.3.1常規(guī)密封試驗(yàn)

閘閥CN7M閘板密封面(分別噴焊Ni55、噴涂STL.6)，閥門裝配后進(jìn)行常規(guī)密封試驗(yàn)，泵驗(yàn)低壓氣、高壓水和閥門殼體試驗(yàn)，經(jīng)檢測(cè)閥門上、下游兩端零泄漏，滿足API 598和ISO 5208(A級(jí)，零泄漏)要求。

2.3.2不同溫度密封壽命試驗(yàn)

CN7M閘板密封面表面噴涂STL.6和噴焊Ni55。閥門在不同溫度密封壽命試驗(yàn)，帶壓開(kāi)關(guān)試驗(yàn)后，STL.6 和Ni55涂層不存在脫落(見(jiàn)圖4)。最終發(fā)現(xiàn)，閥門泄漏原因是帶壓5.5MPa(g)多次開(kāi)關(guān)后，閘板密封面和座圈密封面出現(xiàn)拉痕，但屬于正常劃傷。從閥門試驗(yàn)結(jié)果判斷，未出現(xiàn)大漏前，低壓氣試驗(yàn)均滿足API 598和ISO 5208(A級(jí)，零泄露)要求。閘板密封面和座圈密封面經(jīng)輕微研磨后可去除拉痕。因此，CN7M閘板密封面表面噴涂STL.6和噴焊Ni55不存在脫落，可滿足使用要求。

圖4 不同溫度密封壽命試驗(yàn)

2.4 硫酸腐蝕試驗(yàn)分析

98%濃硫酸室溫腐蝕試驗(yàn)在通風(fēng)櫥內(nèi)進(jìn)行，試樣直接浸泡在配好溶液的燒杯中，進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)?zāi)M(見(jiàn)圖5)。

圖5 室溫腐蝕試驗(yàn)示意

98%濃硫酸高溫(200 ℃)腐蝕試驗(yàn)，使用帶有錐形磨口的燒瓶，并配有冷卻效果良好的回流冷凝器，進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)?zāi)M(見(jiàn)圖6)。

圖6 高溫腐蝕試驗(yàn)示意及實(shí)時(shí)顯示的腐蝕溫度注：1—加熱裝置；2—1L磨口錐形瓶；3—球形冷凝器；4—玻璃架；5—沸騰屑；6—進(jìn)水口；7—出水口；8—固定冷凝管的金屬絲；9—用硅油涂抹磨口面

經(jīng)過(guò)在98%硫酸介質(zhì)，不同溫度(室溫25 ℃、高溫200 ℃)下的腐蝕試驗(yàn)，不同材料表現(xiàn)出不同的耐腐蝕性能。

CN7M /Alloy 20合金和Inconel 625，在室溫25 ℃和高溫200 ℃濃硫酸介質(zhì)中，均表現(xiàn)出較好的耐腐蝕性能。因此，硫酸介質(zhì)工況可選用。HC276在高溫200 ℃、98%濃硫酸中耐腐蝕稍弱，而HB2不耐腐蝕。Inconel 718在高溫200 ℃、98%濃硫酸中耐腐蝕性下降，不推薦使用。

在室溫、98%濃硫酸中，NiCr、Ni55、Ni60、WC-CoCr、WC-NiCr涂層，均具有較好的耐腐蝕性能。而200 ℃高溫、98%濃硫酸中，Ni55、Ni60具有較好耐腐蝕性能，NiCr、WC-NiCr涂層腐蝕速率相比增大，可以使用。

3 結(jié)語(yǔ)

研究特材鑄件CN7M閥門密封面表面硬化工藝，檢測(cè)分析涂層試塊性能。將CN7M閘板密封面表面噴涂STL.6和噴焊Ni55，分別進(jìn)行閥門密封壽命試驗(yàn)，閥門在不同溫度下，帶壓多次開(kāi)關(guān)后，未出現(xiàn)大漏，0.6 MPa氣壓試驗(yàn)，均滿足API 598和ISO 5208(A級(jí)，無(wú)泄漏)要求。閘板和座圈密封面涂層拉痕，經(jīng)過(guò)輕微研磨可去除，CN7M閘板密封面采用噴涂和噴焊工藝，可滿足密封面硬化工藝要求。

在不同溫度(常溫、200 ℃高溫)濃硫酸介質(zhì)中，對(duì)不同金屬及涂層材料進(jìn)行模擬，明確了Alloy 20、CN7M等特材合金及涂層在濃硫酸介質(zhì)中的耐腐蝕性能。在高溫濃硫酸腐蝕工況下，金屬材料建議選用CN7M /Alloy 20合金和Inconel 625，涂層材料建議選擇Ni55、Ni60，或者WC-NiCr涂層。