硬密封球阀陶瓷涂层材料的研究

敢敢

   陶瓷涂层延长设备的使用寿命,提高基体材料的耐腐蚀性和耐磨性。正因为如此，他们常常用 于像把石头变成金子或镍的如湿法冶金过程中的金属硬密封球阀的保护涂层。

   陶瓷涂层，如氧化铬（Cr2O3）和二氧化钛（TiO2）热喷涂应用在高腐蚀性的化学过程，包 括采矿和矿石的开采。由行业需求降低成本，导致工程公司已经并将继续开发创新的解决方案，纳 米TiO2涂层和TiO2+Cr2O3陶瓷混合。最新的研究结果表明，优化平衡的硬而脆的Cr2O3阶段和柔 软有韧性的TiO2相相结合会有更高的磨损程度，磨损和耐磨损性。

   采矿的工艺环境都是腐蚀和易磨损的。在采矿中，阀门是有助于输送泥浆的，这是一个由水混 合的固体组成的泥浆。与油气流动过程相反，在开采的泥浆流中的固体，而液体作为载体。在挖 掘、固液比可以从10-80%范围约0.5%至2%。在一个固体输送管道，输送的材料必须是地面，所以 它可以被悬浮在水中，实现液体状的流动模式，与一个颗粒大小分布，可以跨越三个数量级。为了 减少摩擦和减轻侵蚀，流动速度通常保持 高于固体沉积发生的流速。

   到达矿物处理厂后，所需的矿物是从构成岩石的其他元素和杂质中分离出来的。在某些情况 下，这可以通过传统的方法，如冶炼完成；然而，能源成本和环境政策促进了湿法冶炼采用水化学 的应用。它是在湿法冶金过程中，我们发现一个最苛刻的阀的应用。在这里不仅泵阀门隔离，更重 要的是在制备的高压釜加热浆开始压力诱导的化学反应使岩石为贵金属。

   这些通常被认为是最严苛的工作环境，他们需要特制的材料和阀门设计的应用程序，阀门的制 造也需要优化。在开启和关闭位置流中的颗粒，确保可靠的切断。他们相对容易在浆料中的应用操 作，因为球自身旋转无驱行固体而容忍非常强大的驱动系统的使用。这有利于在关键的情况下快速 关闭。

   湿法冶金应用的典型MSBV设计由浮球与固定座的接触。球和阀座之间的恒定接触减少了密封 面对腐蚀性产品的暴露。该球和阀座是由钛或双相不锈钢基板的陶瓷涂层保护。该涂层的主要功能 是提高承载能力和摩擦学性能的基础材料如何相互作用的表面将如何反应的摩擦和磨损。该涂层延 长了设备的使用寿命，特别是在球运动阶段。

   20年前开始湿法冶金，常规采用大气等离子喷涂Cr2O3是保护阀门极度磨损的首选涂料。随着 时间的推移和大量试验的基础上，二氧化硅（SiO2）和二氧化钛（TiO2）被添加到原来的Cr2O3共 混改善塑性和韧性的涂层。后来，在镍的回收工艺中，高压酸浸（HPAL）的开发和使用。该过程类 似于于：红土镍矿在高压釜中硫酸环境在4.1（600 PSI）和464以上o华氏温度（240oC）析出镍。 然而，HPAL操作在高压力，其中，当结合较高的氯含量，产生更多的腐蚀环境（例如，钛是容易 HPAL缝隙腐蚀）。因为它在这个环境是相对惰性的，似乎选择TiO2是一种很有前途的。然而，机械 和摩擦学性能明显低于常规TiO2的Cr2O3，导致更高的磨损率。

   行业一直致力于优化HPAL涂料解决方案。已被认为是缓解腐蚀的几种方案，并进行了测试，每 个实验结果都不一样。尝试包括中间粘结层的使用，如黄金和钽，将基料和Cr2O3面漆之间。一个 工程公司采用纳TiO2（nTiO2）涂层，它一直相当不错。另一家公司开发了一种陶瓷混合TiO2和 Cr2O3获得纯TiO2薄膜来提高耐腐蚀性和表面的摩擦学性能。

   根据现场经验优选涂层材料进行了研究。四试验材料为1混合物，2）TiO2-Cr2O3，3）和4） n-tio2-Cr2O3 N-TiO2。用于粉末制造N-TiO2颗粒（N-TiO2 millidyne）小于200纳米，虽然比传 统的热喷涂粉末更细，在其他纳米基粉末可用于热喷涂加工范围。

   专门准备了一个新的混合和这个项目的N-TiO2和Cr2O3喷涂参数。氮掺杂二氧化钛粉末混合 烧结和熔融，Cr2O3粉粉碎。沉积的挑战是确保Cr2O3颗粒熔化为了避免粒子反弹撞击基板，以及 由相同粒子侵蚀沉积的TiO2层。

   该项目的目标是评估这四个有前途的湿法冶金应用陶瓷涂层的力学和摩擦学性能，包括新的 n-tio2-Cr2O3交融。采用显微硬度压痕仪和万能拉伸试验机测定硬度和抗剪强度。在滑动磨损涂层 的耐磨性，用标准的销盘试验磨损和擦伤的条件下，耐磨测试和定制设计的磨损试验。

   Cr2O3陶瓷材料单独表现出最高的硬度及最佳滑动磨损性能和摩擦系数。正如预期的那样， Cr2O3的TiO2和n-tio2-Cr2O3共混物的硬度和耐磨性与陶瓷成分息息相关。这些结果陷入与磨损的显微镜观测线轨道销盘试验后，TiO2-Cr2O3二氧化钛涂层的宽而深的磨痕。与此相反，Cr2O3和ntio2-Cr2O3涂料具有小的磨痕浅表面，显示轻微的磨粒磨损。

   在磨损方面，n-tio2-Cr2O3共混物的干、湿磨试验相比，陶瓷材料有更好的结果。该TiO2- Cr2O3涂层高性能归因于优化平衡的硬而脆的Cr2O3相和软而有韧性的TiO2相之间。同样的，本研 究的结果表明这两种材料制成的耐磨性能超过了单独的Cr2O3或N-TiO2。

   试验结果表明，添加TiO2提高涂层耐磨性能来自于改善涂层的韧性。N-TiO2涂层含有所谓 的“纳米 区”，即未熔化的团聚N-TiO2作为裂纹避雷器区域。相对于磨损，涂层的n-tio2-Cr2O3排 名第一，Cr2O3和TiO2，TiO2-Cr2O3，排名第二，分别第三和第四。

   总体结果表明，n-tio2-Cr2O3提供最佳的整体的摩擦学性能与其它测试陶瓷，即Cr2O3和 TiO2。N-TiO2和Cr2O3的新型混合至TiO2-Cr2O3混合提供一贯优良的摩擦学性能。

   对于强腐蚀的环境中，通常是在湿法冶金过程中，使用热喷涂陶瓷涂层，在如TiO2、Cr2O3应 用耐腐蚀基材如钛是一个传统的解决方案。

   研究者正在优化这一现有的技术通过调整化学成分和微观结构，以最大限度地提高强度，韧性 和耐腐蚀性。N-TiO2和Cr2O3的新型组合有优良的摩擦学性能，超过简单的TiO2-Cr2O3交融。因 此，这种新的混合材料 似乎是一种很好的发展前景。如果全面的商业部署需要进一步的优化和现场测试。

   这些结果预示这是一个重要的机会，提高客户工厂的正常运行时间和实施新的涂层方法也可以 降低成本。不过，面对新的挑战就是阀门制造商合作，发展工程涂料解决方案用户将会大大受益。 虽然这种优化将通常需要测试，回报是通过增加客户工厂的正常运行时间，最大程度降低成本，并 提高了可靠性和安全性。