金屬硬密封球閥陶瓷涂層材料的學(xué)術(shù)研究    

    陶瓷涂層延長設(shè)備的使用壽命,提高基體材料的耐腐蝕性和耐磨性。正因?yàn)槿绱?，他們常常用于像把石頭變成金子或鎳的如濕法冶金過程中的金屬硬密封球閥的保護(hù)涂層。

    陶瓷涂層，如氧化鉻（Cr2O3）和二氧化鈦（TiO2）熱噴涂應(yīng)用在高腐蝕性的化學(xué)過程，包括采礦和礦石的開采。由行業(yè)需求降低成本，導(dǎo)致工程公司已經(jīng)并將繼續(xù)開發(fā)創(chuàng)新的解決方案，納米TiO2涂層和TiO2+Cr2O3陶瓷混合。最新的研究結(jié)果表明，優(yōu)化平衡的硬而脆的Cr2O3階段和柔軟有韌性的TiO2相相結(jié)合會有更高的磨損程度，磨損和耐磨損性。

    采礦的工藝環(huán)境都是腐蝕和易磨損的。在采礦中，閥門是有助于輸送泥漿的，這是一個(gè)由水混合的固體組成的泥漿。與油氣流動過程相反，在開采的泥漿流中的固體，而液體作為載體。在挖掘、固液比可以從10-80%范圍約0.5%至2%。在一個(gè)固體輸送管道，輸送的材料必須是地面，所以它可以被懸浮在水中，實(shí)現(xiàn)液體狀的流動模式，與一個(gè)顆粒大小分布，可以跨越三個(gè)數(shù)量級。為了減少摩擦和減輕侵蝕，流動速度通常保持

高于固體沉積發(fā)生的流速。

    到達(dá)礦物處理廠后，所需的礦物是從構(gòu)成巖石的其他元素和雜質(zhì)中分離出來的。在某些情況下，這可以通過傳統(tǒng)的方法，如冶煉完成；然而，能源成本和環(huán)境政策促進(jìn)了濕法冶煉采用水化學(xué)的應(yīng)用。它是在濕法冶金過程中，我們發(fā)現(xiàn)一個(gè)最苛刻的閥的應(yīng)用。在這里不僅泵閥門隔離，更重要的是在制備的高壓釜加熱漿開始壓力誘導(dǎo)的化學(xué)反應(yīng)使巖石為貴金屬。

    這些通常被認(rèn)為是最嚴(yán)苛的工作環(huán)境，他們需要特制的材料和閥門設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序，閥門的制造也需要優(yōu)化。在開啟和關(guān)閉位置流中的顆粒，確?？煽康那袛?。他們相對容易在漿料中的應(yīng)用操作，因?yàn)榍蜃陨硇D(zhuǎn)無驅(qū)行固體而容忍非常強(qiáng)大的驅(qū)動系統(tǒng)的使用。這有利于在關(guān)鍵的情況下快速關(guān)閉。

    濕法冶金應(yīng)用的典型MSBV設(shè)計(jì)由浮球與固定座的接觸。球和閥座之間的恒定接觸減少了密封面對腐蝕性產(chǎn)品的暴露。該球和閥座是由鈦或雙相不銹鋼基板的陶瓷涂層保護(hù)。該涂層的主要功能是提高承載能力和摩擦學(xué)性能的基礎(chǔ)材料如何相互作用的表面將如何反應(yīng)的摩擦和磨損。該涂層延長了設(shè)備的使用壽命，特別是在球運(yùn)動階段。

    20年前開始濕法冶金，常規(guī)采用大氣等離子噴涂Cr2O3是保護(hù)閥門極度磨損的首選涂料。隨著時(shí)間的推移和大量試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，二氧化硅（SiO2）和二氧化鈦（TiO2）被添加到原來的Cr2O3共混改善塑性和韌性的涂層。后來，在鎳的回收工藝中，高壓酸浸（HPAL）的開發(fā)和使用。該過程類似于于：紅土鎳礦在高壓釜中硫酸環(huán)境在4.1（600 PSI）和464以上o華氏溫度（240oC）析出鎳。然而，HPAL操作在高壓力，其中，當(dāng)結(jié)合較高的氯含量，產(chǎn)生更多的腐蝕環(huán)境（例如，鈦是容易HPAL縫隙腐蝕）。因?yàn)樗谶@個(gè)環(huán)境是相對惰性的，似乎選擇TiO2是一種很有前途的。然而，機(jī)械和摩擦學(xué)性能明顯低于常規(guī)TiO2的Cr2O3，導(dǎo)致更高的磨損率。

    行業(yè)一直致力于優(yōu)化HPAL涂料解決方案。已被認(rèn)為是緩解腐蝕的幾種方案，并進(jìn)行了測試，每個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果都不一樣。嘗試包括中間粘結(jié)層的使用，如黃金和鉭，將基料和Cr2O3面漆之間。一個(gè)工程公司采用納TiO2（nTiO2）涂層，它一直相當(dāng)不錯(cuò)。另一家公司開發(fā)了一種陶瓷混合TiO2和Cr2O3獲得純TiO2薄膜來提高耐腐蝕性和表面的摩擦學(xué)性能。

    根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn)優(yōu)選涂層材料進(jìn)行了研究。四試驗(yàn)材料為1混合物，2）TiO2-Cr2O3，3）和4）n-tio2-Cr2O3 N-TiO2。用于粉末制造N-TiO2顆粒（N-TiO2 millidyne）小于200納米，雖然比傳統(tǒng)的熱噴涂粉末更細(xì)，在其他納米基粉末可用于熱噴涂加工范圍。

    專門準(zhǔn)備了一個(gè)新的混合和這個(gè)項(xiàng)目的N-TiO2和Cr2O3噴涂參數(shù)。氮摻雜二氧化鈦粉末混合燒結(jié)和熔融，Cr2O3粉粉碎。沉積的挑戰(zhàn)是確保Cr2O3顆粒熔化為了避免粒子反彈撞擊基板，以及由相同粒子侵蝕沉積的TiO2層。

    該項(xiàng)目的目標(biāo)是評估這四個(gè)有前途的濕法冶金應(yīng)用陶瓷涂層的力學(xué)和摩擦學(xué)性能，包括新的n-tio2-Cr2O3交融。采用顯微硬度壓痕儀和萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)測定硬度和抗剪強(qiáng)度。在滑動磨損涂層的耐磨性，用標(biāo)準(zhǔn)的銷盤試驗(yàn)?zāi)p和擦傷的條件下，耐磨測試和定制設(shè)計(jì)的磨損試驗(yàn)。

    Cr2O3陶瓷材料單獨(dú)表現(xiàn)出最高的硬度及最佳滑動磨損性能和摩擦系數(shù)。正如預(yù)期的那樣，Cr2O3的TiO2和n-tio2-Cr2O3共混物的硬度和耐磨性與陶瓷成分息息相關(guān)。這些結(jié)果陷入與磨損的顯微鏡觀測線軌道銷盤試驗(yàn)后，TiO2-Cr2O3二氧化鈦涂層的寬而深的磨痕。與此相反，Cr2O3和n-tio2-Cr2O3涂料具有小的磨痕淺表面，顯示輕微的磨粒磨損。

    在磨損方面，n-tio2-Cr2O3共混物的干、濕磨試驗(yàn)相比，陶瓷材料有更好的結(jié)果。該TiO2-Cr2O3涂層高性能歸因于優(yōu)化平衡的硬而脆的Cr2O3相和軟而有韌性的TiO2相之間。同樣的，本研究的結(jié)果表明這兩種材料制成的耐磨性能超過了單獨(dú)的Cr2O3或N-TiO2。

    金屬硬密封球閥陶瓷涂層材料的學(xué)術(shù)研究試驗(yàn)結(jié)果表明，添加TiO2提高涂層耐磨性能來自于改善涂層的韌性。N-TiO2涂層含有所謂的“納米-區(qū)”，即未熔化的團(tuán)聚N-TiO2作為裂紋避雷器區(qū)域。相對于磨損，涂層的n-tio2-Cr2O3排名第一，Cr2O3和TiO2，TiO2-Cr2O3，排名第二，分別第三和第四。

    總體結(jié)果表明，n-tio2-Cr2O3提供最佳的整體的摩擦學(xué)性能與其它測試陶瓷，即Cr2O3和TiO2。N-TiO2和Cr2O3的新型混合至TiO2-Cr2O3混合提供一貫優(yōu)良的摩擦學(xué)性能。

    對于強(qiáng)腐蝕的環(huán)境中，通常是在濕法冶金過程中，使用熱噴涂陶瓷涂層，在如TiO2、Cr2O3應(yīng)用耐腐蝕基材如鈦是一個(gè)傳統(tǒng)的解決方案。

    研究者正在優(yōu)化這一現(xiàn)有的技術(shù)通過調(diào)整化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)，以最大限度地提高強(qiáng)度，韌性和耐腐蝕性。N-TiO2和Cr2O3的新型組合有優(yōu)良的摩擦學(xué)性能，超過簡單的TiO2-Cr2O3交融。因此，這種新的混合材料

似乎是一種很好的發(fā)展前景。如果全面的商業(yè)部署需要進(jìn)一步的優(yōu)化和現(xiàn)場測試。

    這些結(jié)果預(yù)示這是一個(gè)重要的機(jī)會，提高客戶工廠的正常運(yùn)行時(shí)間和實(shí)施新的涂層方法也可以降低成本。不過，面對新的挑戰(zhàn)就是閥門制造商合作，發(fā)展工程涂料解決方案用戶將會大大受益。雖然這種優(yōu)化將通常需要測試，回報(bào)是通過增加客戶工廠的正常運(yùn)行時(shí)間，最大程度降低成本，并提高了可靠性和安全性。?