桑樹坪第2鉱山のガス抽出システムの2偏心バタフライバルブステムと排水システムのゲートバルブステムの故障について体系的な分析が行われ、故障の主な原因はH2S、CO2、SO625などの媒体の均一腐食であることが判明しました。バルブステムの耐食性を向上させるために、表面にインコネルXNUMX合金（粉末とワイヤ）をレーザークラッディングする修理計画が提案されました。系統的な微細構造観察、化学成分試験、微小硬度試験、電気化学試験がバルブステムに対して実施されました。 レーザークラッディング クラッド層の信頼性を評価するために、インコネル625ワイヤと粉末クラッド層の微細構造分布が類似していることが結果から明らかになった。クラッド層の微細構造はデンドライトであり、亀裂や気孔がなく基材によく結合している。クラッド層のデンドライト間領域のCr含有量は、デンドライト内領域のCr含有量よりも高く、デンドライト間にはNbに富む析出物がある。クラッド層全体の元素分布は比較的均一であり、Ni、Cr、Fe、Mo、Nbなどの主要な元素は、界面で母材との間で遷移分布を示している。インコネル625クラッド層の硬度は母材よりわずかに高く、自己腐食電位は母材より高くなっている。クラッド層の自己腐食電流密度 Icorr (8.62×10′-7A/cm2) は、母材 (8.23×10′-6A/cm2) よりも低くなっています。等価回路フィッティング後、インコネル 625 クラッド層の電荷移動抵抗は 9.9×104 Ω·cm2 で、母材の 2.6×103 Ω·cm2 よりもはるかに高く、クラッド層の耐食性が基板よりも優れていることを示しています。修理されたバルブステム構造は、炭鉱で 6 か月間使用されていても腐食破損がなく、正常に動作していますが、未処理のバルブステム構造は 1 か月の使用後に腐食破損が発生しており、インコネル 625 クラッド層がバルブステム材料に対して優れた保護効果を発揮していることを示しています。

バタフライバルブは、円形のバタフライプレートを開閉部材として使用し、バルブステムとともに回転して流体チャネルを開閉および調整するバルブです[1]。三重偏心バタフライバルブは、二重偏心バタフライバルブをベースにしており、バルブシートシール面が一定の角度でオフセットされています。そのバルブシートシール面は円錐面です。バルブプレートシールは、開くとバルブシートシール面から離れ、両者の間にはほとんど摩擦がありません。二重偏心バタフライバルブと比較して、バタフライバルブのシール性能と耐用年数が大幅に向上しています[2]。三重偏心バタフライバルブの構造を図1aに示します。ウェッジゲートバルブは、ゲートを開閉部材として使用します。作業中、ゲートの移動方向は流体方向と垂直です。ウェッジゲートバルブは、通常、バルブステムを上下に動かすことでバルブの開閉を完了します[3-5]。ウェッジゲートバルブは、バルブシール面が垂直中心線に対して一定の角度をなしているため、シール性が良好で、より大きな圧力に耐えることができます。ウェッジゲートバルブの構造を図1bに示します。一般に、1偏心バタフライバルブとウェッジゲートバルブのバルブステム（図XNUMXの矢印で示す）は、焼き戻しと表面窒化処理後に優れた耐食性と耐摩耗性を備えています。

しかし、地下の使用環境の悪化により、上記構造物は使用期間中に深刻な腐食破損を起こしている[6]。ガス抽出バタフライバルブは、炭鉱の地下ガス抽出システムの制御と絞りのための主要な機器であり、給排水ウェッジゲートバルブは、炭鉱の地下給排水システムの主要機器です。バルブステムは上記機器の回転コアであり、その信頼性と安定性は生産の安全性にとって非常に重要です。

本論文では、尚樹坪第2鉱山で使用されているバタフライバルブステムとゲートバルブステムの故障を体系的に分析し、分析結果に基づいてインコネル625合金のレーザークラッディングによりバルブステムの耐食性を向上させるソリューションを提案します。インコネル625合金はNi-Cr-Mo合金系に属し、酸化腐食に対する耐性が優れています[7-10]。レーザークラッディングは、熱影響部が小さく、成形部品の機械的特性が優れているという特徴があります。これは、故障した構造部品の表面修復に適した方法です[11-14]。レーザークラッディング層の信頼性は、体系的な微細構造観察、化学組成、微小硬度試験、および電気化学試験によって総合的に評価されました。

1 故障解析

分解したバタフライバルブステムとゲートバルブステムの外観（図2）から、2つのバルブステムの表面の腐食が比較的深刻で、主に孔食腐食であることがわかります。バルブステムの化学成分を検査したところ、材質は13Cr2ステンレス鋼であることがわかりました。主な故障原因は、バルブステムがシャフト穴と直接接触して隔離されていないため、使用環境の高温媒体（H2S、CO2、SOXNUMXなど）がバルブステムとシャフト穴の隙間に浸透して隙間腐食を形成し、バルブステムの材料が上記の腐食性媒体に耐える能力が弱いことです。

2実験材料と方法

2.1 レーザークラッディング補修

旧バタフライバルブのバルブステム基板は2Cr13で、レーザークラッディングにはワイヤ規格625mmのインコネル1.2ワイヤが使用されています。材料の化学組成は表1に示されています。旧バタフライバルブの各バルブステムには55つのセクションがあり、それぞれ200mm×55mmと468mm×0.5mmの仕様です。レーザークラッディングの前に、旧バルブステムの表面を旋削して厚さ625mmを除去し、旋削した部分にインコネル1.2ワイヤをレーザークラッディングし、クラッディング層と厚さXNUMXmmにします。最後に、バルブステムを機械加工して元のサイズに戻します。ワイヤレーザークラッディング
使用電力は 2500 W、クラッディング速度は 14 mm/s、スポット径は 4.5 mm です。レーザークラッディング前後のバタフライバルブステムワイヤの形態を図 3 に示します。

古いゲートバルブを分解したところ、ステムの材質は17-4PHでした。レーザークラッディングにはインコネル625粉末を使用しました。粉末の形態を図4に示します。粉末の真球度は良好で、粒子サイズは150〜300メッシュです。

分解した古いバルブステムの仕様は 38×360 mm です。レーザークラッディングの前に、クラッディングする部分を 0.5 mm の厚さで削り、次に旋削した部分をインコネル 625 粉末でレーザークラッディングしました。クラッディング層の厚さは 1.2 mm でした。粉末レーザークラッディングの電力は 2500 W、クラッディング速度は 40 mm/s、粉末供給速度は 1.2 r/min、供給距離は 1.6 mm、スポットサイズは 4 mm×4 mm でした。レーザークラッディング前後のゲートバルブステム粉末の形態を図 5 に示します。

2.2実験方法

オリンパス光学顕微鏡を使用して、レーザーワイヤとレーザー粉末クラッド層の断面の微細構造を分析しました。クラッド層の微細構造の観察にはツァイス電界放出走査電子顕微鏡を使用し、その微小領域の組成を決定するためにEDSプローブを使用しました。クラッド層断面の微小硬度は、マイクロビッカース硬度計でテストしました。試験荷重は300g、保持時間は15秒、クラッド層の測定点間隔は100μm、母材の測定点間隔は200μmでした。クラッド層の電気化学試験は、上海晨華CHI600Eシリーズ電気化学試験ワークステーションで実施しました。各クラッド層の電気化学的挙動を評価するために、3.5電極システムを選択しました。この試験では、補助電極として白金メッシュ、参照電極として Ag/AgCl を使用し、電解質として XNUMX% NaCl を選択しました。

3 結果と考察

3.1 組織分析

3.1.1 金属組織学的分析

図 6 と 7 は、それぞれインコネル 625 ワイヤおよび粉末レーザークラッディング層の金属組織です。クラッディング層はすべてデンドライト構造で、母材にしっかりと結合しており、亀裂や気孔欠陥はありません。図 6b と 7b からわかるように、クラッディング層の中央部分は等軸結晶形態を示しています。これは、ワイヤおよび粉末レーザークラッディングプロセス中の送り距離がスポット径よりも小さく、後者のクラッディング層が前のクラッディング層を完全に再溶融するためです。インコネル 625 ワイヤと粉末レーザークラッディング層の金属組織には明らかな違いはありません。

3.1.2 走査型電子顕微鏡とEDS分析

図625に示すように、電界放出走査電子顕微鏡を使用して、インコネル8ワイヤクラッド層/基板接合界面とクラッド層の中央領域を観察しました。

図8の代表的な領域のEDSスペクトル試験結果を表2に示します。スペクトル試験結果と合わせると、界面付近のワイヤ被覆層の構造は主に微細な樹枝状結晶形態であり、その中で母材界面に近い領域（スペクトル1）のFe含有量は比較的高く（15.37重量％）、突出した樹枝状結晶間領域（スペクトル2）は樹枝状結晶領域（スペクトル3）と比較され、MoおよびNb元素の濃縮が見られます。被覆層の中央領域では、樹枝状結晶間領域（スペクトル4）のCr含有量は樹枝状結晶領域（スペクトル5）よりもわずかに高く、樹枝状結晶間領域には明るい粒状の析出相があり、EDSスペクトル試験結果ではNbに富む相であることが示されています（スペクトル6）。上記の EDS データを参考に、ワイヤレーザークラッディング層の希釈率は約 4% ～ 5% と計算されます。

図9は粉末レーザークラッディング層の電界放出走査電子顕微鏡観察結果を示し、表3は代表的な領域のEDSスペクトル検出結果を示しています。粉末レーザークラッディング層の組織と元素分布は、ワイヤレーザークラッディング層のものと似ています。母材の界面付近では、樹枝状結晶間領域（スペクトル1）のCr含有量は樹枝状結晶領域（スペクトル2）のCr含有量よりもわずかに高く、樹枝状結晶間領域（スペクトル3）にはNbに富む析出相があります。クラッディング層の中央領域では、明るいNbに富む析出相（スペクトル6）が樹枝状結晶内に粒状に分布しています。樹枝状結晶内領域（スペクトル5）のCr、Mo、Nb含有量は、樹枝状結晶間領域（スペクトル4）のCr、Mo、Nb含有量よりもわずかに低くなっています。上記のEDSデータを参考に、粉末レーザークラッディング層の希釈率は約5％〜6％と計算され、これはワイヤクラッディング層の希釈率に近いです。レーザー熱源のエネルギー密度が集中しているため、上記のXNUMXつのクラッディング層のデンドライト構造は比較的細かくなっています。

図10は、レーザークラッディング層のEDSラインスキャン結果を示しています。ワイヤクラッディング層と粉末クラッディング層の微細構造分布は類似しているため、粉末クラッディング層の元素分布のみを示しています。クラッディング層の全体的な組成分布は均一で、局所的な変動（デンドライト間のNbに富む析出相）があることがわかります。界面では、クラッディング層の主要元素Ni、Cr、Fe、Mo、Nbと母材の間に遷移分布特性があります。

3.2 微小硬度試験

インコネル 625 ワイヤおよび粉末レーザークラッディング層の厚さ方向の性能変化を調べるために、マイクロビッカース硬度試験を実施しました。試験結果を図 11 に示します。マイクロ硬度試験は、基板から始まり、厚さ方向に垂直になり、クラッディング層の外面で終わります。基板の硬度値は低く、140 ～ 180 HV0.3 の範囲であることがわかります。レーザークラッディング層の硬度は基板の硬度よりも高く、その中で粉末レーザークラッディング層の硬度 (平均値 254 HV0.3) はワイヤレーザークラッディング層の硬度 (平均値 248 HV0.3) よりもわずかに高くなっています。これは主に、粉末レーザークラッディングプロセス中の溶融池が小さく、液体の溶融池が凝固するときに温度勾配が比較的大きく、より細かいクラッディング層構造が得られるためです。さらに、レーザークラッディング（粉末またはワイヤ）による基材への熱影響は小さく、基材の熱影響部の硬度変化は明らかではありません。

3.3 電気化学的性能試験

インコネル 625 粉末レーザークラッディング層と基板材料の電気化学試験結果を図 12 に示します。図 12a の分極曲線から、クラッディング層の自己腐食電位は Ecorr=-0.399 V であり、母材の自己腐食電位 Ecorr=-0.872 V よりも高いことがわかります。同時に、インコネル 625 クラッディング層の自己腐食電流密度 Icorr=8.62×10′-7A·cm'-2 は母材の自己腐食電流密度 Icorr=8.23×10′-6A·cm'-2 よりも低く、クラッディング層の耐食性が母材よりも大幅に優れていることを示しています。図12bのインピーダンス曲線から、母材とインコネル625クラッド層のACインピーダンススペクトルは両方とも単一の容量性アークを示しており、電極反応プロセスが電荷移動によって制御されていることを示しています。容量性アークの半径が大きいほど、耐食性は優れています。等価回路フィッティング後、インコネル625クラッド層の電荷移動抵抗はRct = 9.9×104Ω·cm2であり、母材のRct = 2.6×103Ω·cm2よりもはるかに高くなっています。上記のテスト結果は、母材の表面にインコネル625合金をクラッドすると、部品の耐食性が大幅に向上し、それによって部品の耐用年数が長くなることを示しています。

上記 6 つのレーザークラッディング プロセスによって修復されたバタフライ バルブ ステムとゲート バルブ ステムは、地下で 1 か月間使用されていても腐食破損は発生していませんが、未処理のバルブ ステムは 625 か月の使用後に腐食破損が発生しており、インコネル XNUMX レーザークラッディング層がバルブ ステム材料に対して優れた保護効果を発揮していることを示しています。

4 結論と提案

本論文では、鉱山で使用されるバタフライバルブとゲートバルブの重要な回転部品のバルブステム構造の故障を体系的に分析します。故障の主な原因は、H2S、CO2、SO2などの腐食性媒体による均一腐食です。これを考慮して、上記の故障したバルブステムの表面にインコネル625合金をレーザークラッディングする修復スキームを提案します。インコネル625ワイヤクラッディングと粉末クラッディングをそれぞれ実行し、準備されたクラッディング層の信頼性を、微細構造、化学組成、微小硬度、電気化学試験結果を総合的に分析して評価しました。次の主な結論が得られました。

（１）金属組織観察の結果、ワイヤーレーザークラッディング層と粉末レーザークラッディング層の構造はともに樹枝状結晶構造であり、クラッディング層は母材マトリックスに良好に結合しており、亀裂や気孔は観察されないことが分かった。レーザークラッディング工程で使用される送り距離はスポットサイズよりも小さく、得られたクラッディング層（ワイヤーおよび粉末）は等軸結晶構造を示している。

（2）電界放出走査電子顕微鏡とEDS分析の結果、ワイヤレーザークラッディング層と粉末レーザークラッディング層の元素の偏析挙動は類似していることがわかった。デンドライト間領域のCr含有量はデンドライト内領域よりも高く、デンドライト間領域には明るいNbに富む析出物が存在する。クラッディング層全体の化学組成は均一に分布しており、界面では主要元素Ni、Cr、Fe、Mo、Nbと母材の間に遷移分布が見られる。

（３）微小硬度試験の結果、粉末レーザークラッディング層の硬度（平均値２５４ＨＶ０．３）はワイヤーレーザークラッディング層の硬度（平均値２４８ＨＶ０．３）よりわずかに高く、基材の硬度は１４０～１８０ＨＶ０．３の範囲で最も低いことが分かった。

（4）粉末レーザークラッディング層の電気化学試験結果によると、インコネル625クラッディング層の自己腐食電位は母材よりも高く、クラッディング層の自己腐食電流密度Icorr（8.62×10′-7A·cm'-2）は母材Icorr（8.23×10′-6A·cm'-2）よりも低いことが示されています。等価回路フィッティング後に得られたインコネル625クラッディング層の電荷移動抵抗Rctは9.9×10'4Ω·cm'2であり、母材Rctの2.6×10'3Ω·​​cm2よりもはるかに高く、クラッディング層の耐食性が基板よりも優れていることを示しています。

修理されたバタフライバルブステムとゲートバルブステムは、鉱山で6か月間故障することなく使用されましたが、未処理のバルブステムは1か月の使用後に故障しました。これは、インコネル625が レーザークラッディング 層はバルブステム材料に対して優れた保護効果を発揮します。