專利名稱：閥及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及閥及其制造方法，特別是關(guān)于用于閥座的材料和閥座的形成方法。本發(fā)明的閥可以用于渦輪機、泵、送風機等的流體機械、內(nèi)燃機、化學設(shè)備或原子能設(shè)備等。
背景技術(shù)：
對于閥要求不易磨損、不容易產(chǎn)生燒損。也需要不易產(chǎn)生金屬磨損、和腐蝕。耐腐蝕性高的比較好。以往，在用于各種的流體機械、化學設(shè)備或者原子能設(shè)備的安全閥、球型閥、閘門閥、單向閥、控制閥、放汽閥或者蝶型閥上，一直使用著將被稱為鎢鉻鈷合金的鈷基合金在閥座上堆焊的構(gòu)造。但是，鈷資源的枯竭危機，以及對原子能設(shè)備要求無鈷化，期望開發(fā)不含鈷的閥座材料。
在特開平11-63251號公報中，記載了將在包含鉻和硼及硅的鎳基合金上使硼化鉻粒子分散的合金用于閥座材料上，在閥體或閥箱上堆焊的結(jié)構(gòu)。另外，在特開昭62-1837號公報及美國特許第4754950號的說明書中，記載了由通過鉻-鎳-鐵系的鐵基析出硬化型合金形成閥體和閥箱的一方的閥座、通過硬度(Hv)400以上的鎳基合金形成另一方的閥座而成的閥。記載了硬度(Hv)400以上的上述鎳基合金包含碳、硅、硼及鉻。還有，記載了上述鎳基合金在閥箱或閥體上通過堆焊、釬焊或擴散接合被接合。但是，具體給出示例的只是通過堆焊而接合的構(gòu)造。
本發(fā)明的發(fā)明者們確認在金屬組織的基質(zhì)上使硅化物粒子和硼化物粒子的一方或者兩方細微地分散的鎳基合金具有延展性、抗熱或者機械的沖擊強，另外耐磨損性及耐燒損性優(yōu)良，適合用于閥座。但是他們發(fā)現(xiàn)，將硅化物粒子或硼化物粒子分散的鎳基合金在閥座上堆焊的情況下，焊接時鎳基合金熔化，成為含有硅化物或硼化物、粗大的樹枝狀凝固組織。具有樹枝狀凝固組織的鎳基合金延展性低、抗熱或機械的沖擊弱、容易破損。
本發(fā)明的目的是，提供即使在將在金屬組織的基質(zhì)上使至少硅化物粒子和硼化物粒子的一方分散的鎳基合金用于閥座、將閥體和閥箱接合的情況下，也不產(chǎn)生樹枝狀凝固組織，能夠維持硅化物粒子和硼化物粒子的微細的分散的狀態(tài)的閥的制造方法，以及通過該制造方法而得到的閥。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的閥，其特征在于，由在金屬組織的基質(zhì)上使至少硅化物粒子和硼化物粒子的一方分散的鎳基合金而構(gòu)成的閥座與閥體或閥箱，通過比其熔點更低的中間層擴散接合，特別是最好是液態(tài)擴散接合。在液態(tài)擴散接合時只有中間層熔化，閥座或閥體或者閥箱的材料實質(zhì)上不熔化。因此，閥座的材料即使在接合后也實質(zhì)上具有接合前的初期的狀態(tài)。另外，在液態(tài)擴散接合時，由于包含在閥座的材料中的合金元素的一部分及閥體或者閥箱的材料中所包含的合金元素的一部分擴散到中間層中，能夠得到強度上更強的接合部。
若在閥座與閥體、或者閥座與閥箱之間夾置作為中間層的板部件(以下稱為插入部件)，加熱至插入部件的熔點以上的溫度時，插入部件在起初熔化，由于閥座、閥體或者閥箱中所含的合金元素逐漸擴散到熔化部分中而使熔點變高，在接合中凝固。即使將制造出的閥加熱到插入部件的熔點，插入部件已經(jīng)不能熔化。
通常閥體或閥箱的材料使用碳素鋼或者低合金鋼。也有使用不銹鋼的情況。因此，最好插入部件的材料使用在閥座上使用的鎳基合金或在閥體或閥箱上使用的碳素鋼、低合金鋼或者不銹鋼所含的合金元素容易擴散的材料。由鎳與硅及硼組成的鎳基合金、或由鎳和鉻和硅及硼組成的鎳基合金、以及由鎳和磷組成的鎳基合金最適宜作為本發(fā)明的插入部件。鎳基合金的插入部件耐腐蝕性也優(yōu)良。在使用這些插入部件制造閥的實施例中，在閥座的材料中所含的合金元素、和在閥體或閥箱的材料中所含的合金元素擴散到插入部件中的現(xiàn)象以被承認。還有，即使將制造出的閥加熱到插入部件的熔點，接合部沒有熔化。液態(tài)擴散接合最好在真空中進行。另外，最好一邊對接合部加壓一邊加熱。施加的壓力為幾十g/cm2就可以，最高也只是100g/cm2以下。因此，不會由于施加壓力使接合部變形或者閥座的材料破裂。
作為與液態(tài)擴散接合類似的接合方法有釬焊，在釬焊時，由于不得不使用焊錫，以及向焊錫中閥座、閥體或閥箱的材料中所含的合金元素全部或幾乎不擴散，接合部的強度很低，閥座容易剝落而不適宜。
為了在液態(tài)擴散接合時使插入部件容易熔化以及使熔化的插入部件不向接合部的外部流出，插入部件的厚度最好薄一些，20至50μm范圍的厚度最佳。
分散到閥座的鎳基合金中的硅化物粒子或硼化物粒子的化合物的形態(tài)沒有特別的限定。可以使鎳與硼的化合物、鎳與硅的化合物、鉻與硼的化合物等分散。
最好閥座的鎳基合金使用包括硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量42以下(但不超過鎳量的范圍)，在金屬組織的基質(zhì)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金。這種化學組成的鎳基合金延展性很好，抗機械的沖擊或熱的沖擊強。還有，摩擦系數(shù)小不容易產(chǎn)生金屬磨損。硬度在Hv400以上，耐磨損性、耐腐蝕性良好。這樣限定鎳基合金的化學組成的理由是由于以下的原因。
含有硅及硼的原因是由于在金屬組織的基質(zhì)上使由Ni3Si、Ni2B、Cr2B等組成的硅化物或者硼化物分散而提高延展性和耐腐蝕性。與硼化物相比使硅化物擴散更有效，因此，硅是一定要含有的。硅的含量最好是重量的8％以下。如果含有超過重量的8％的情況下，就缺乏提高延展性的效果。在含有硼在重量的4％以下時延展性提高的效果最顯著。
鉻使耐腐蝕性提高并強化基質(zhì)。當鉻沒有達到重量的7％時缺乏效果，如果超過重量的30％則韌性降低，所以最好在重量的7至30％的范圍內(nèi)。
碳的含有是由于可提高機械的強度和耐磨損性。通過含有碳例如可以形成鉻碳化物，使材質(zhì)強化。若含有碳超過重量的1.2％的情況下，延展性不良。
鎢有著強化基質(zhì)的作用。但是若超過重量的5％則材質(zhì)變脆。
鐵作為強化元素含有重量的42％以下。但是，應(yīng)該使其含量不超過鎳含量地考慮其他的合金成分的含有量來決定配合量。若鐵的含量過高則延展性降低，另外，耐腐蝕性也不良。
用于閥座的鎳基合金最好是將通過噴霧法制造鎳基合金粉末后壓縮成形、再進行HIP處理(Hot Isostatic Press)及粉末熱間擠出加工而制造成板部件。另外，最好是將真空熔化的鎳基合金的錠通過靜水壓擠出加工、再施行熱間沖壓加工而制造成板部件。這樣制造出的板部件金屬組織微細，另外硅化物粒子或硼化物粒子成為幾十μm以下的粒狀至塊狀的粒子分散到金屬組織的基質(zhì)中。通過使金屬組織變得微細，更提高硬度和耐腐蝕性。
硅化物粒子及硼化物粒子的粒徑對延展性有影響，越微細越提高延展性。在本發(fā)明的閥中，硅化物粒子及硼化物粒子的粒徑最好為30μm以下。象這樣含有微細的硅化物粒子或硼化物粒子的鎳基合金與具有含有硅化物或硼化物的樹枝狀凝固組織的鎳基合金相比，延展性提高1.5倍或其以上。
最好閥體及閥箱的一方的閥座由含有硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量10％以下、在金屬組織的基質(zhì)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金形成，另一方的閥座由含有硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量25至42％以下(但不超過鎳量的范圍)、在金屬組織的基質(zhì)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金形成。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的實施例的閘門閥的剖面圖。
圖2是圖1的閘門閥中的閥體的擴大圖。
圖3是圖1的閘門閥中的閥箱的擴大圖。
圖4是表示閥體與閥座的接合部的模式圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的單向閥的剖面圖。
具體實施例方式
(實施例1)通過噴霧法制造包含重量百分比Si6.8％、B0.9％、Cr18％、C0.3％、W1.5％、Fe6.5％，其余部分由Ni及不可避不純物組成的Ni基合金的粉末。使用粉末粒度分布為80至100篩眼的上述霧化粉在常溫下壓縮成型(壓力8000kg/cm2)，之后，為了追求粉末的密實化及氣孔率的降低，在900℃的溫度下，進行HIP處理及粉末熱間擠出加工。擠出壓力約為5000kg/cm2，棒桿速度10mm/s。通過HIP處理及粉末熱間擠出加工后的金屬微小組織觀察，可以確認到硅化物成為粒徑10μm以下的粒狀或者塊狀分散在金屬組織的基質(zhì)上。在測定延展率時，為0.7％，可以確認到與具有樹枝狀凝固組織的情況相比，延展性提高1.5倍以上，效果優(yōu)良。硬度為Hv580。從該鎳基合金切削出厚度為5mm的環(huán)，與后述的通過液態(tài)擴散接合方法由碳素鋼構(gòu)成的閥體接合。
另外，通過真空熔化制造包含重量百分比Si4.4％、B0.2％、Cr12％、C0.7％、W1.6％、Fe38％，其余部分由Ni及不可避不純物組成的Ni基合金的錠，在900℃的溫度下，進行靜水壓擠出加工后，再在大約900℃的溫度下進行熱間沖壓加工。通過金屬微小組織觀察，可以確認到粒徑10μm以下的硅化物成為粒狀或者塊狀分散在金屬組織的基礎(chǔ)上。從該鎳基合金切削出厚度為5mm的環(huán)，與后述的通過液態(tài)擴散接合方法由碳素鋼構(gòu)成的閥體接合。接著，制造出如圖1～圖3所示構(gòu)造的閘門閥。圖1為閘門閥的剖面圖，圖2為閥體的擴大圖，圖3為閥箱的擴大圖。
本實施例的閘門閥1由閥體2和閥箱3構(gòu)成，在閥體側(cè)上具有閥座4，在閥箱側(cè)具有閥座5。通過將閥體2從圖1的狀態(tài)向上方拔出，則閥被開放，液狀或者氣體狀的流體可以流動。閥體2及閥箱3的材料在此是由含碳量約占重量0.25％的碳素鋼(JIS規(guī)格的SCPH2(相當于S25C))構(gòu)成，為鑄鐵制。閥體2與閥座4之間的接合以及閥箱3與閥座5之間的接合都是通過在接合面將包含重量百分比Si4.5％和B3.2％、其余部分由Ni組成的鎳基合金的插入部件夾置來進行。插入部件的厚度約40μm。插入部件的固態(tài)線溫度約970℃，液態(tài)線溫度約1000℃。液態(tài)擴散接合在接合溫度1040℃、保持時間1小時、真空度2×10-4Torr、接合部的施加壓力80g/cm2的條件下進行。插入部件在加熱的最初，在達到1000℃時熔化，由于在熔化部中，含在閥體及閥座的材料中的合金元素擴散，使熔點上升而凝固，在接合進行中還原成固體。圖4是模式地表示閥體2與閥座4通過插入部件被接合的狀態(tài)的圖，在閥體2與閥座4之間具有中間層(插入部件)20。
通過接合部的金屬微小觀察，可以確認到在閥座的鎳基合金上，硅化物粒子及硼化物粒子保持著微細地分散的狀態(tài)，閥座及閥體的材料擴散到插入部件中。在接合部沒有發(fā)現(xiàn)空隙等的缺陷。
對于通過本實施例制造的閘門閥、和從以本實施例的過程中得到的鎳基合金切削出焊接棒，在閥體及閥座上堆焊而形成閥座的閘門閥，進行在高溫水中的摩擦系數(shù)的測定。試驗面壓為2000kg/cm2、滑動速度300mm/分。其結(jié)果，通過堆焊形成閥座的比較例的結(jié)果是摩擦系數(shù)為0.41至0.45，根據(jù)本實施例的結(jié)果是0.33至0.35，可以看出，摩擦系數(shù)小而不易產(chǎn)生金屬磨損。
根據(jù)本實施例的閘門閥，不易產(chǎn)生由于溶存氧氣的腐蝕，適合用于原子能裝置。
(實施例2)通過真空熔化制造包含重量百分比Si3.5％、B2.5％、Cr12％、C0.5％、Fe3％，其余部分由Ni及不可避不純物組成的Ni基合金的錠，在900℃的溫度下，進行靜水壓擠出加工后，再在大約900℃的溫度下進行熱間沖壓加工。通過金屬微小組織觀察，可以確認到粒徑10μm以下的硅化物粒子及硼化物粒子成為粒狀或者塊狀分散在金屬組織的基質(zhì)上。該鎳基合金的延展率約為0.7％。從該鎳基合金切削出厚度為5mm的環(huán)，在閥體及閥箱上進行液態(tài)擴散接合。閥體及閥箱的材料是由含碳量約占重量0.25％的碳素鋼構(gòu)成，為鑄鐵。根據(jù)本實施例，制造出圖5所示的單向閥。單向閥6由閥體7和閥箱8構(gòu)成，在閥體7上接合閥座9，在閥箱8上接合閥座10。通過將閥體7從圖5的狀態(tài)打開，流體可以流動。在閥體7與閥座9之間以及閥箱8與閥座10之間，夾置插入部件。在接合溫度950℃、保持時間1小時、真空度2×10-4Torr、施加壓力50g/cm2的條件下進行液態(tài)擴散接合。對于插入部件，使用含有占重量11％的磷、其余部分由鎳組成的Ni基合金。該插入部件的液態(tài)線溫度及固態(tài)線溫度大致相同，約為875℃。
通過進行接合后的金屬微小觀察，可以確認到，閥座、閥體及閥箱的材料中所含的合金元素擴散到插入部件一側(cè)，而且，沒有發(fā)現(xiàn)空隙等的接合缺陷。根據(jù)本實施例的單向閥，由于粒徑小的硅化物粒子及硼化物粒子保持著微細地分散到金屬組織的基質(zhì)中，具有抗熱及機械的沖擊強不容易破損的特長。也不易產(chǎn)生由于溶存氧氣的腐蝕，在用于原子能裝置的情況下，耐泄漏性能良好。
根據(jù)本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)閥座材料的無鈷化。因此，適合用于原子能裝置的閥。
權(quán)利要求
1.一種閥，具有閥體和閥箱，兩者的至少一方的閥座是通過使化合物粒子分散的鎳基合金形成，其特征在于，上述鎳基合金是通過在金屬組織的基質(zhì)上使至少硅化物粒子和硼化物粒子的一方分散的鎳基合金構(gòu)成，將由該鎳基合金構(gòu)成的閥座與上述閥體及上述閥箱的至少一方通過比其熔點更低的中間層擴散接合。
2.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述鎳基合金包括硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量42以下(但不超過鎳量的范圍)，在金屬組織的基質(zhì)上至少分散硅化物粒子。
3.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述閥座的一方由含有硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量10％以下、在金屬組織的基礎(chǔ)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金構(gòu)成，上述閥座的另一方由含有硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量25至42％以下(但不超過鎳量的范圍)、在金屬組織的基礎(chǔ)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述閥體和上述閥箱的材質(zhì)是由碳素鋼、低合金鋼或不銹鋼構(gòu)成。
5.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述硅化物粒子和硼化物粒子的粒徑由30μm以下的粒狀或者塊狀的粒子構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，用于上述閥座的鎳基合金是將通過噴霧法制造的鎳基合金粉末壓縮成形、進行HIP處理及粉末熱間擠出加工而制造。
7.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，用于上述閥座的鎳基合金是將真空熔化的鎳基合金的錠通過靜水壓擠出加工及熱間沖壓加工而制造。
8.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述中間層的材質(zhì)是從由鎳和硅及硼組成的鎳基合金、或由鎳和鉻和硅及硼組成的鎳基合金、以及由鎳和磷組成的鎳基合金中選出的一個構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述閥座和上述閥體或上述閥箱通過液態(tài)擴散接合而被接合。
10.如權(quán)利要求1所述的閥，其特征在于，上述閥是用于原子能設(shè)備的閥。
11.一種閥的制造方法，是在閥體和閥箱的至少一方的閥座上接合使化合物粒子分散的鎳基合金而成的閥的制造方法，其特征在于，作為上述鎳基合金使用在金屬組織的基質(zhì)上使至少硅化物粒子和硼化物粒子的一方分散的鎳基合金，在由該鎳基合金構(gòu)成的閥座與上述閥體及上述閥箱的的接合面上，夾著比其熔點更低的板部件，通過加熱至只該板部件熔化的溫度的液態(tài)擴散接合將上述閥座與上述閥體或者上述閥箱接合。
12.如權(quán)利要求11所述的閥的制造方法，其特征在于，作為上述鎳基合金使用包括硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量42以下(但不超過鎳量的范圍)，在金屬組織的基礎(chǔ)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金。
13.如權(quán)利要求11所述的閥的制造方法，其特征在于，上述閥座的一方使用含有硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量10％以下、在金屬組織的基礎(chǔ)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金，上述閥座的另一方使用含有硅占重量8％以下、硼占重量0至4％、鉻占重量7至30％、碳占重量1.2％以下、鎢占重量0至5％及鐵占重量25至42％以下(但不超過鎳量的范圍)、在金屬組織的基礎(chǔ)上至少分散硅化物粒子的鎳基合金。
14.如權(quán)利要求11所述的閥的制造方法，其特征在于，作為上述板部件使用從由鎳和硅及硼組成的鎳基合金、或由鎳和鉻和硅及硼組成的鎳基合金、以及由鎳和磷組成的鎳基合金中選出的一個。
15.如權(quán)利要求11所述的閥的制造方法，其特征在于，上述閥座和上述閥體或上述閥箱的接合作業(yè)在真空中進行。
16.如權(quán)利要求11所述的閥的制造方法，其特征在于，上述板部件由厚度20至50μm的箔構(gòu)成。
17.如權(quán)利要求11所述的閥的制造方法，其特征在于，上述閥座和上述閥體及上述閥箱的至少一方之間的液態(tài)擴散接合是在對接合部加壓的狀態(tài)下進行的。
全文摘要
本發(fā)明的課題是提供不含鈷、具有優(yōu)秀的耐磨損性、耐燒損性的閥。通過粒徑小的硅化物粒子或者硼化物粒子微細地分散的鎳基合金形成閥體(2)及閥箱(3)的閥座(4、5)，通過低熔點的由鎳基合金構(gòu)成的插入部件將該閥座與閥體或者閥箱進行液態(tài)擴散接合。
文檔編號C22C38/12GK1431416SQ02152749
公開日2003年7月23日 申請日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者近崎充夫, 松下靜雄, 國谷治郎, 清時芳久, 竹島菊男, 坂本 明, 千葉良照 申請人:株式會社日立制作所