特材鑄件CN7M表面硬化工藝及耐硫酸腐蝕適應性研究

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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秀，廣泛應用于化工、食品、醫藥以及塑料工業等領域。尤其是其耐熱硫酸腐蝕性能優良，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材料強度和硬度低，CN7M材質閥門在使用過程中，密封面就很容易劃傷，特別在強腐蝕工況下使用時尤為明顯，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，且堆焊時很容易出現基材裂紋。在目前的技術方案中，CN7M閥門鑄件問題最大。因此，對特材鑄件CN7M閥門密封面表面硬化工藝及其在高溫濃硫酸介質中耐腐蝕性能特點進行研究。

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，因堆焊時溫度較高，熱輸入大，易產生熱應力裂紋，極易導致堆焊面及CN7M、Alloy 20本體產生裂紋，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。熱噴涂對基體的熱影響很小，基體受熱溫度不超過200 ℃，基體不會發生變形和性能變化，對本體 CN7M、Alloy 20材料不涉及冶金結合，不改變本體的金相組織，也不會因溫度高而導致CN7M、Alloy 20本體表面產生裂紋。

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

1.2 腐蝕試驗

硫酸腐蝕試驗參考GB 10124《金屬材料實驗室均勻腐蝕全浸試驗方法》、《腐蝕數據與選材手冊》等標準。金屬及涂層材料在腐蝕溶液中進行全浸泡腐蝕試驗。測定金屬材料的腐蝕速率，判斷材料的耐腐蝕性能。金屬材料會產生表面腐蝕痕跡(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，若不耐腐蝕則會出現涂層脫落、脆斷、表面腐蝕等現象，可綜合判斷涂層的耐腐蝕性能。

腐蝕速率(深度法)的計算公式如下：

式中：R為腐蝕速率，mm/a；m1為試驗前試樣質量，g；m2為試驗后試樣質量，g；S為試樣表面積，cm2；T為試驗時間，h；D為材料的密度，g/cm3；87 600為計算常數。

2 試驗結果分析

2.1 試塊硬化工藝分析

對CN7M、Alloy 20試塊進行噴涂和噴焊，測試試塊涂層性能。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，均未發現裂紋。

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涂層試塊厚度測量照片見圖2。

圖2 涂層厚度測量照片

2.2 CN7M閘板硬化工藝分析

閘板密封面噴涂STL.6和噴焊Ni55，進一步驗證閘板毛坯表面硬化工藝能否滿足使用要求。同時，評估閘板噴涂或者噴焊后，閘板本體CN7M鑄件材料是否產生裂紋缺陷。噴焊Ni55和噴涂STL.6后，對閘板及其密封面無損檢測(PT)(見圖3)，經PT檢測閘板密封面，表面不存在裂紋缺陷。

圖3 閘板密封面硬化及無損檢測PT照片

2.3 CN7M閘板壽命試驗分析

2.3.1常規密封試驗

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

2.3.2不同溫度密封壽命試驗

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，帶壓開關試驗后，STL.6 和Ni55涂層不存在脫落(見圖4)。最終發現，閥門泄漏原因是帶壓5.5MPa(g)多次開關后，閘板密封面和座圈密封面出現拉痕，但屬于正常劃傷。從閥門試驗結果判斷，未出現大漏前，低壓氣試驗均滿足API 598和ISO 5208(A級，零泄露)要求。閘板密封面和座圈密封面經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

2.4 硫酸腐蝕試驗分析

98%濃硫酸室溫腐蝕試驗在通風櫥內進行，試樣直接浸泡在配好溶液的燒杯中，進行腐蝕試驗模擬(見圖5)。

圖5 室溫腐蝕試驗示意

98%濃硫酸高溫(200 ℃)腐蝕試驗，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，進行腐蝕試驗模擬(見圖6)。

圖6 高溫腐蝕試驗示意及實時顯示的腐蝕溫度注：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

經過在98%硫酸介質，不同溫度(室溫25 ℃、高溫200 ℃)下的腐蝕試驗，不同材料表現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 ℃濃硫酸介質中，均表現出較好的耐腐蝕性能。因此，硫酸介質工況可選用。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 結語

研究特材鑄件CN7M閥門密封面表面硬化工藝，檢測分析涂層試塊性能。將CN7M閘板密封面表面噴涂STL.6和噴焊Ni55，分別進行閥門密封壽命試驗，閥門在不同溫度下，帶壓多次開關后，未出現大漏，0.6 MPa氣壓試驗，均滿足API 598和ISO 5208(A級，無泄漏)要求。閘板和座圈密封面涂層拉痕，經過輕微研磨可去除，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)濃硫酸介質中，對不同金屬及涂層材料進行模擬，明確了Alloy 20、CN7M等特材合金及涂層在濃硫酸介質中的耐腐蝕性能。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。