一種具有高耐磨密封表面的球閥球體及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種具有高耐磨密封表面的球閥球體及其制備方法，主要技術(shù)方案為：在球體表面通過(guò)硼、礬、稀土的共滲形成一層具有高硬度和較強(qiáng)的抗擦傷、抗磨損、抗沖刷能力并具有足夠厚度、與基體為冶金結(jié)合的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層下側(cè)基體經(jīng)提高硬度的熱處理而具有高硬度、能夠?qū)Ρ砻鎻?qiáng)化層提供可靠支撐，強(qiáng)化層制備時(shí)采取相應(yīng)方法使?jié)B硼、熱處理后球體基本無(wú)變形。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：球體表面具有更高的硬度、更強(qiáng)的抗擦傷抗磨損和抗沖刷能力，結(jié)合強(qiáng)度高不容易產(chǎn)生剝落，基體具有高硬度可以保證強(qiáng)化層能可靠工作，能夠在高溫工況中使用，能夠使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化、制造成本降低，便于加工制造，能夠使閥門具有較高的使用可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。
【專利說(shuō)明】一種具有高耐磨密封表面的球閥球體及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種閥門零件，具體涉及一種硬密封球閥的球體表面結(jié)構(gòu)及其形成方法。

【背景技術(shù)】
[0002]球閥是應(yīng)用非常廣泛的一類閥門，具有啟閉速度快、閥門開(kāi)啟后流阻和壓損小、密封面在開(kāi)啟狀態(tài)不會(huì)受到流動(dòng)介質(zhì)的沖刷、密封面關(guān)閉時(shí)有自凈能力等優(yōu)點(diǎn)。在一些特殊工況，如高溫工況以及介質(zhì)中富含硬質(zhì)顆粒時(shí)，采用以球體表面鍍硬鉻或化學(xué)鍍鎳和以工程塑料加工的閥座所組成的常規(guī)球閥產(chǎn)品往往完全不能滿足工況使用要求，在這類運(yùn)行條件較為苛刻的工況系統(tǒng)中，一般會(huì)選用金屬硬密封球閥。隨著硬密封球閥設(shè)計(jì)、制造水平的不斷提高，金屬硬密封球閥已成為近年來(lái)技術(shù)發(fā)展最快的閥種之一，產(chǎn)品的配套需求量越來(lái)越多、應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，如在大容量火力發(fā)電機(jī)組中，金屬硬密封球閥在主蒸汽、再熱蒸汽疏水，對(duì)空排汽，給水、減溫水隔斷，爐水排污，蒸汽超壓安全泄放等方面都有較為廣泛的應(yīng)用；除了在高溫工況方面的應(yīng)用外，硬密封球閥產(chǎn)品在高磨損工況，如在排渣和除塵、高爐排灰、煤粉輸送等方面，在煤化工、多晶硅、有機(jī)硅等行業(yè)也有較多應(yīng)用。在一些高磨損、強(qiáng)沖刷和強(qiáng)腐蝕的極端工況，往往還會(huì)選擇和使用以具有高硬度、高耐磨性、高耐蝕性的結(jié)構(gòu)陶瓷來(lái)制作球體、閥座和進(jìn)出口通道的陶瓷球閥。閥門密封面的高硬度要求，既是出于保證閥門密封副本身抗磨損、抗擦傷性能的需要，也是保證密封面具備充分的抵抗介質(zhì)中具有較高硬度的固相物質(zhì)對(duì)密封面的磨損、沖刷破壞能力的需要，因此，用于介質(zhì)中富含硬質(zhì)微粒工況的硬密封閥門，為了保證產(chǎn)品的使用性能和使用壽命，其密封面的硬度應(yīng)顯著高于介質(zhì)中硬質(zhì)微粒的硬度。
[0003]早期的硬密封球閥球體以堆焊或噴涂Stillite硬質(zhì)合金來(lái)制作球體密封表面，由于合金層硬度偏低抗擦傷能力不能滿足要求、堆焊或噴涂的工藝難度大、施焊后和使用過(guò)程中易產(chǎn)生裂紋，已不再被應(yīng)用?，F(xiàn)行的金屬硬密封球閥產(chǎn)品的球體表面均采用超音速火焰噴涂工藝(HVOF)在球體表面形成碳化鎢金屬陶瓷涂層(部分產(chǎn)品根據(jù)使用溫度的要求選擇噴涂碳化鉻涂層)；碳化鎢涂層磨削、研磨后厚度為0.2?0.3mm ;涂層硬度(HV1200，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的碳化鎢涂層的實(shí)際硬度在HV750?850 (HRC62?66)左右。
[0004]密封面噴涂碳化鎢涂層的硬密封球閥在實(shí)際使用中，較多地存在如下的問(wèn)題:
[0005]碳化鎢涂層剝落。涂層剝落有以下幾個(gè)方面的原因:1、由于超音速噴涂的碳化鎢涂層與基體材料之間為機(jī)械結(jié)合而非冶金結(jié)合，因而涂層與基體的結(jié)合力會(huì)受到制約，在局部有較大工作應(yīng)力時(shí)易產(chǎn)生剝落現(xiàn)象；2、由于基體材料的硬度一般較低(當(dāng)基體材料采用高硬度材料并經(jīng)淬硬形成高硬度表面時(shí)，也會(huì)使噴涂層與基體的結(jié)合力下降)，附著在較軟基體上的硬質(zhì)涂層在與閥座密封面接觸的受壓面邊界處，會(huì)產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，從而使脆性的碳化鎢涂層在相應(yīng)部位產(chǎn)生裂紋進(jìn)而導(dǎo)致涂層剝落；3、噴涂所產(chǎn)生的熱應(yīng)力及由于基體和涂層的線脹系數(shù)的差異而使涂層在高溫工況產(chǎn)生的熱應(yīng)力以及因閥門頻繁或周期性啟閉使涂層產(chǎn)生的接觸疲勞應(yīng)力，會(huì)使涂層在工作時(shí)的承載能力顯著下降而導(dǎo)致涂層剝落；4、噴涂前的處理以及噴涂操作存在問(wèn)題導(dǎo)致局部或整體的涂層結(jié)合力下降。超音速火焰噴涂工藝對(duì)噴涂材料的選擇和要求、對(duì)工件的表面清潔和預(yù)處理要求較高，噴涂操作中需要控制的操作參數(shù)較多、工藝難度大，因而很容易導(dǎo)致涂層的質(zhì)量不穩(wěn)定。
[0006]密封面受高速流動(dòng)的介質(zhì)中的硬質(zhì)顆粒沖刷和磨損而使密封表面狀況惡化，使閥門失去密封能力，嚴(yán)重時(shí)局部沖刷破壞嚴(yán)重也會(huì)導(dǎo)致碳化鎢涂層脫落。
[0007]涂層硬度偏低。在密封副存在相對(duì)滑動(dòng)的金屬密封閥門中，硬密封球閥是密封面摩擦狀況相對(duì)最嚴(yán)苛的閥門，閥門啟閉全程密封面均會(huì)承受較高的接觸比壓(楔式閘閥的密封面則只在關(guān)閉末段才承受較高的接觸比壓)；同時(shí)，硬密封球閥也不能依靠外加操作力來(lái)增加密封比壓。因此，硬密封球閥對(duì)閥門密封面需有更高的要求，其中最為重要的要求之一是對(duì)密封面的抗擦傷要求。國(guó)內(nèi)產(chǎn)品的碳化鎢涂層實(shí)際硬度HV750?850，在苛刻工況使用時(shí)往往難以完全滿足抗擦傷要求和閥門的使用壽命要求。
[0008]近年來(lái)，由于陶瓷材料所具有的高硬度和高耐磨特性，陶瓷球閥作為一種以陶瓷材料制作密封件的特殊的硬密封球閥已在一些高磨損高沖刷工況得到了一定的應(yīng)用。陶瓷球閥的球體、閥座等零件采用氧化鋯相變?cè)鲰g陶瓷制作；氧化鋯增韌陶瓷的硬度在HV1200 (HRA87)左右，具有高于碳化鎢噴涂層的抗磨損、抗沖刷性能。陶瓷閥門所存在的缺點(diǎn)是:1、陶瓷材料的抗拉韌性差、脆性較大，因而使用可靠性不及金屬密封閥門；2、陶瓷零件無(wú)法進(jìn)行切削加工，只能通過(guò)模具燒結(jié)成型并通過(guò)磨削和研磨而達(dá)到使用要求，工藝難度大，生產(chǎn)成本高、效率低，生產(chǎn)周期長(zhǎng)；3、陶瓷零件上需要鑲嵌金屬輔助構(gòu)件、或增加機(jī)械固定結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷零件進(jìn)行安裝，使閥門結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜，增加了產(chǎn)品的制造成本同時(shí)也降低了閥門的可靠性；4、陶瓷零件不能承受較大的熱沖擊，因而陶瓷球閥難以在高溫工況應(yīng)用。
[0009]金屬材料的表面擴(kuò)散滲硼改性強(qiáng)化是一種有著超過(guò)100年發(fā)展歷史的傳統(tǒng)工藝，多年來(lái)隨著滲硼工藝的不斷發(fā)展和改進(jìn)，產(chǎn)生了多種滲硼方法，包括固體滲硼、膏劑滲硼、鹽浴滲硼、電解滲硼、離子滲硼、微波滲硼等滲硼工藝。采用不同的金屬材料進(jìn)行滲硼，可以使金屬表面獲得HV1400?2200的超高硬度，遠(yuǎn)高于超音速火焰噴涂碳化鎢涂層的硬度，也顯著高于氧化鋯陶瓷的硬度，具有極佳的抗擦傷、抗磨損能力；選擇一定的滲硼工藝和基體材料時(shí)滲層厚度最大可以達(dá)到0.40_，達(dá)到與超音速噴涂碳化鎢涂層相當(dāng)?shù)膹?qiáng)化層厚度；滲硼層是在基體材料的基礎(chǔ)上形成，與基體材料之間為冶金結(jié)合而非如超音速噴涂層的機(jī)械結(jié)合；零件經(jīng)擴(kuò)散滲工序后，可以在保護(hù)氣氛中進(jìn)行淬火熱處理以提高基體的硬度和強(qiáng)度；滲硼層高溫?zé)嵊残院茫?00°C以下均能保持很高的硬度；具有較好的高溫抗氧化性和優(yōu)異的抗蝕性，工件表面滲硼后能夠達(dá)到與奧氏體不銹鋼相當(dāng)?shù)目刮g性。近年來(lái)在滲硼工藝方面又產(chǎn)生了一些新的工藝方法如稀土共滲、多元共滲等來(lái)改善滲硼的工藝特性和提升滲層性能，如降低滲層脆性、進(jìn)一步提高滲層的耐磨性、增加滲速和滲層厚度等。滲硼工藝在大大提升金屬表面性能的同時(shí)，生產(chǎn)成本也較低，設(shè)備的配置和操作要求也不高。
[0010]由于滲硼處理要達(dá)到足夠的滲層厚度需要在加熱溫度800?1000°C的高溫下進(jìn)行，會(huì)引起零件的變形，目前在國(guó)內(nèi)外機(jī)械制造行業(yè)，金屬表面擴(kuò)散滲硼還主要是應(yīng)用在工模具的表面強(qiáng)化方面，而在精密機(jī)械零件制造方面的應(yīng)用則鮮有報(bào)道。滲硼處理后零件的變形成為這一工藝進(jìn)一步在其它機(jī)械零件的制造尤其是在精密零件的制造方面應(yīng)用的最主要的制約因素；金屬硬密封球閥的球體因?yàn)槠渲圃炀扔绕涫菆A度精度的要求很高，要在其表面實(shí)施滲硼或多元滲硼強(qiáng)化，需要在制造工藝方面解決擴(kuò)散滲后的變形問(wèn)題，達(dá)到球體的高精度要求，才能使這一“點(diǎn)鐵成金”的技術(shù)在硬密封球閥球體的表面強(qiáng)化方面獲得具有很高實(shí)用價(jià)值的應(yīng)用和取得對(duì)其它現(xiàn)有技術(shù)如超音速噴涂碳化鎢密封面和整體陶瓷密封面的顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]為了克服硬密封球閥現(xiàn)有技術(shù)所在的諸多不足之處，本發(fā)明提出了一種具有更高的表面硬度、具有更強(qiáng)的抗擦傷抗磨損以及抗沖刷能力，結(jié)合強(qiáng)度高、不容易產(chǎn)生強(qiáng)化層剝落，基體具有高硬度以保證表面強(qiáng)化層能可靠工作，強(qiáng)化層制備后不會(huì)形成殘余應(yīng)力，能夠在高溫工況中使用，能夠使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化、制造成本降低，便于加工制造，能夠使閥門具有較高的使用可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命的硬密封球閥的具有高耐磨密封表面的球閥球體及其制備方法。
[0012]針對(duì)要解決的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案其基本思路和實(shí)質(zhì)內(nèi)容是:選擇了一種能夠在抗擦傷耐磨損抗沖刷性能方面更優(yōu)于現(xiàn)有產(chǎn)品密封表面的硬面技術(shù)方案且能克服其諸多缺陷的表面強(qiáng)化工藝-擴(kuò)散滲硼(包括硼釩共滲或其它包含滲硼的多元共滲技術(shù))；而對(duì)于擴(kuò)散滲后的變形問(wèn)題，采取在滲前不加工球體上的通流孔和傳動(dòng)槽、工件以各向同性的完整、實(shí)芯的球體狀態(tài)進(jìn)行高溫?cái)U(kuò)散滲，則滲后基本不會(huì)產(chǎn)生變形；而滲后的保護(hù)氣氛的淬火回火處理或固溶時(shí)效處理，淬火和時(shí)效提高了基體硬度、能夠解決現(xiàn)有技術(shù)采用噴涂工藝存在的因基體硬度低所帶來(lái)的問(wèn)題，回火一方面是淬火熱處理必經(jīng)的一道工序、用以調(diào)節(jié)淬后硬度，另一方面可以消除工件的內(nèi)應(yīng)力、避免因加工通流孔和傳動(dòng)槽后內(nèi)應(yīng)力分布狀態(tài)改變和應(yīng)力釋放而產(chǎn)生變形，時(shí)效也兼有減小應(yīng)力的作用，這樣在球體熱處理或加工通流孔和傳動(dòng)槽后球體仍然基本不會(huì)產(chǎn)生變形或僅有微量變形。擴(kuò)散滲和熱處理后球體表面進(jìn)行的研磨、拋光加工，其目的一方面是改善表面粗糙度使之達(dá)到要求，另一方面也是為了修正此前的擴(kuò)散滲、熱處理階段可能產(chǎn)生的微量變形，使球面圓度達(dá)到要求。
[0013]本發(fā)明的目的通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0014]—種具有高耐磨密封表面的球閥球體，所述的球體為硬密封球閥的旋轉(zhuǎn)關(guān)閉件，與位于其兩側(cè)的金屬閥座組成密封偶件以實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉和密封，其主要技術(shù)關(guān)鍵為:在所述球體的球面表面有一層具有高耐磨性能的強(qiáng)化層，所述的強(qiáng)化層中富集有經(jīng)擴(kuò)散滲形成的金屬硼化物，強(qiáng)化層下側(cè)基體為經(jīng)淬火熱處理或固溶和時(shí)效熱處理而具有高硬度的基體材料，強(qiáng)化層與基體材料之間為冶金結(jié)合。
[0015]作為上述方案的一種進(jìn)一步的方案，所述的強(qiáng)化層中同時(shí)還分布有經(jīng)擴(kuò)散滲形成的碳化釩微粒。
[0016]本發(fā)明所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體，其制備方法中包括以下步驟:
[0017]前加工步驟:進(jìn)行球體的球面加工，球體通流孔和傳動(dòng)槽不加工；
[0018]擴(kuò)散滲步驟:進(jìn)行球體表面的滲硼或硼釩共滲處理；
[0019]基體熱處理步驟:進(jìn)行旨在提高基體硬度的淬火+回火處理或固溶+時(shí)效處理；
[0020]后加工步驟:進(jìn)行球體通流孔和傳動(dòng)槽的加工；
[0021]研磨拋光步驟:進(jìn)行旨在改善球面圓度和表面粗糙度的研磨拋光加工。
[0022]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種進(jìn)一步的方案，在球體的球面加工步驟前，還包括有鍛造和退火加工工序。
[0023]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種進(jìn)一步的方案，在球體的球面加工步驟中，還包含有對(duì)在通流孔孔口與球面相交位置處的小圓角的加工。
[0024]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種進(jìn)一步的方案，在球體的球面加工步驟中，還包含有對(duì)所加工的球面進(jìn)行粗研加工。
[0025]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種進(jìn)一步的方案，在擴(kuò)散滲步驟中，在滲劑中添加稀土進(jìn)行稀土共滲。
[0026]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種優(yōu)選，在基體熱處理步驟中，將工件在充分脫氧后的中性鹽浴爐中進(jìn)行加熱。
[0027]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種優(yōu)選，在基體熱處理步驟中，采用真空高壓氣淬工藝對(duì)工件進(jìn)行熱處理。
[0028]作為本發(fā)明所述的球體制備方法的一種進(jìn)一步的方案，在擴(kuò)散滲步驟和基體熱處理步驟中，工件在滲后直接轉(zhuǎn)入淬火或固溶階段，升溫或降溫至淬火或固溶溫度進(jìn)行處理。
[0029]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果是:球體表面強(qiáng)化層具有更高的表面硬度和滿足需要的強(qiáng)化層厚度，并因此而具備更強(qiáng)的抗擦傷、抗磨損以及抗沖刷能力?’強(qiáng)化層與基體為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高、不容易產(chǎn)生強(qiáng)化層剝落；基體可通過(guò)熱處理而達(dá)到高硬度，以保證表面強(qiáng)化層能可靠工作；強(qiáng)化層制備后不會(huì)形成殘余應(yīng)力，并具有較好的高溫?zé)嵊残?，能夠在高溫工況中使用；能夠使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到簡(jiǎn)化，制造成本降低，同時(shí)便于加工制造；能夠使閥門具有較高的使用可靠性和更長(zhǎng)的使用壽命。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0030]圖1是本發(fā)明所述的硬密封球閥球體的示意圖。
[0031]圖中，1、球體；2、球面；3、小圓角；4、通流孔；5、傳動(dòng)槽。

【具體實(shí)施方式】
[0032]下面通過(guò)實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。
[0033]實(shí)施例1
[0034]本實(shí)施例所述的硬密封球閥球體，基體材料采用40Cr，球體直徑Φ 47mm，通流孔直徑Φ24πιπι，見(jiàn)圖1。在該球體上通過(guò)滲硼工藝在球面上形成一層富集有Fe2B、FeB的強(qiáng)化層，強(qiáng)化層是在基體材料的基礎(chǔ)上經(jīng)高溫?cái)U(kuò)散滲而形成因而與基體材料之間為冶金結(jié)合；同時(shí)，滲硼后對(duì)40Cr基體進(jìn)行淬火熱處理，使其具有較高的基體硬度。
[0035]制備過(guò)程如下:
[0036]準(zhǔn)備:40Cr按Φ 50 X 51mm下料；另備三塊相同材料的試塊，尺寸20 X 20 X 10_，同爐進(jìn)行滲硼以及基體熱處理，一塊用于檢測(cè)滲層硬度和厚度及基體材料熱處理硬度，另兩塊分別作為動(dòng)、靜試塊進(jìn)行擦傷試驗(yàn)以測(cè)試和比較滲層耐磨性。此外，預(yù)先準(zhǔn)備兩塊相同尺寸的HVOF噴涂碳化鎢樣塊作為對(duì)比件。
[0037]前加工:車加工球面，通流孔及傳動(dòng)槽不加工，將通流孔孔口與球面相交位置處的小圓角也加工出；磨削和粗研球面。加工后表面粗糙度Ra ( 0.2 μ m，球面跳動(dòng)彡0.015mm。通流孔孔口處的小圓角的作用是使球體在啟閉轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)閥座密封面不會(huì)受到傷害，因此將小圓角與球面一道加工出、在滲硼時(shí)小圓角處與球面一起形成連貫的滲硼層，才能使閥座密封面在啟閉時(shí)得到有效的保護(hù)；因?yàn)榍蝮w在滲硼后硬度很高、球面只進(jìn)行微小加工量的精研、拋光加工，因此滲硼前在球面車削后需進(jìn)行磨削和粗研以使球面的尺寸、圓度精度、粗糙度達(dá)到相應(yīng)要求。
[0038]硼-稀土共滲:工藝流程為:除油-水洗_酸洗_水洗-中和-水洗-吹干_裝掛-鹽浴滲硼-冷卻-清洗吹干。滲劑成分:硼砂、碳化硼、鋁粉、氟化鈉、氟硼酸鉀、稀土、增滲劑。擴(kuò)散滲溫度:950°C，時(shí)間:8h。滲硼時(shí)稀土的加入，能夠增加滲層滲入深度，改善滲層組織結(jié)構(gòu)，降低滲硼層的脆性，提高滲硼層硬度、增加與基體的結(jié)合力和顯著增加滲硼層的耐磨性。
[0039]基體淬火+回火處理:采用真空高壓氣淬爐對(duì)工件進(jìn)行熱處理；冷卻氣體:高純氬氣，氣淬壓力:lObar。淬火、回火工藝規(guī)范:淬火-真空加熱850°C，氣冷；回火-真空加熱300°C，氣冷。滲硼后對(duì)基體進(jìn)行淬火加硬處理是較常見(jiàn)的滲硼處理工藝流程；滲硼后淬火處理時(shí)，只要控制好加熱溫度不超過(guò)1080°C以避免硼化物層過(guò)燒和脫硼、在中性保護(hù)氣氛中加熱，就能夠使?jié)B層的質(zhì)量、厚度、硬度以及磨損抗力完全不受影響。
[0040]采用真空高壓氣淬爐進(jìn)行球體的淬火回火處理，除了真空高壓氣淬工藝具有工件無(wú)氧化脫碳、表面光潔、熱處理全程及工件冷卻速度可進(jìn)行自動(dòng)控制、節(jié)能及成本低廉、安全環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)外，真空高壓氣淬的一個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)是與其它類型的熱處理設(shè)備相比能夠顯著減小工件的熱處理變形，這一點(diǎn)對(duì)于硬密封球閥球體的熱處理加工來(lái)說(shuō)，無(wú)疑是極為有利的。
[0041]后加工:進(jìn)行球體通流孔和傳動(dòng)槽的加工；
[0042]研磨拋光:分別用不同粒度的人造金剛石研磨料對(duì)球面進(jìn)行研磨和拋光加工，使球面圓度和表面粗糙度達(dá)到要求。
[0043]滲硼層硬度和厚度:經(jīng)試塊檢測(cè)，滲硼層硬度HV1400?1550，厚度0.28?0.31mm。滲層硬度遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)現(xiàn)行產(chǎn)品HVOF噴涂碳化鎢涂層的硬度HV750?850，也顯著高于氧化鋯增韌陶瓷的硬度HV1200 ;滲層厚度與碳化鎢涂層的厚度基本相當(dāng)。因此，本發(fā)明的球體密封表面強(qiáng)化層在耐沖刷能力方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)。
[0044]40Cr基體硬度:經(jīng)試塊檢測(cè)，基體淬火回火硬度HRC49?52。
[0045]抗擦傷能力試驗(yàn):經(jīng)測(cè)試，在SOMPa壓緊比壓下，滲硼試塊開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)擦痕的次數(shù)為850次左右，碳化鎢涂層試塊開(kāi)始出現(xiàn)肉眼可見(jiàn)擦痕的次數(shù)為250次左右；滲硼試塊開(kāi)始出現(xiàn)擦傷深度大于0.02_深的擦傷的次數(shù)為51500次左右，碳化鎢涂層試塊開(kāi)始出現(xiàn)擦傷深度大于0.02mm深的擦傷的次數(shù)為12500次左右。兩者相比較，滲硼強(qiáng)化層的擦傷壽命是碳化鎢涂層的4倍多。耐磨性的改善主要是由于強(qiáng)化層硬度的提高而帶來(lái)的有益效果O
[0046]上述制備過(guò)程中所涉及到的兩種熱加工工藝手段-硼-稀土共滲和真空高壓氣淬均為現(xiàn)有成熟技術(shù)并在不斷發(fā)展中，有利于保證本發(fā)明能夠得到可靠實(shí)施并在今后能夠得到進(jìn)一步的發(fā)展。
[0047]本實(shí)施例表明，通過(guò)適當(dāng)?shù)臄U(kuò)散滲硼工藝所形成的上述球體表面強(qiáng)化層，與現(xiàn)有技術(shù)的密封表面相比，具有更高的表面硬度并具有滿足需要的強(qiáng)化層厚度，因而具有更強(qiáng)的抗擦傷、抗磨損以及抗沖刷能力；強(qiáng)化層因?yàn)榕c基體為冶金結(jié)合因而結(jié)合強(qiáng)度高，不容易產(chǎn)生強(qiáng)化層剝落現(xiàn)象；基體材料通過(guò)淬火處理達(dá)到了顯著高于材料未經(jīng)處理時(shí)的高硬度，對(duì)表面強(qiáng)化層形成可靠的支撐，能夠解決現(xiàn)行產(chǎn)品所存在的基體硬度偏低使噴涂層受壓面邊界處產(chǎn)生過(guò)高的應(yīng)力而容易導(dǎo)致噴涂層產(chǎn)生裂紋和剝落的現(xiàn)象，保證表面強(qiáng)化層可靠工作；強(qiáng)化層的高硬度和抗剝落的高可靠性能夠顯著延長(zhǎng)閥門的使用壽命。強(qiáng)化層形成過(guò)程中，因?yàn)榻?jīng)過(guò)回火處理，因而基本不存在殘余應(yīng)力。與陶瓷球閥相比，除了關(guān)鍵零件的表面硬度和耐磨性得到提高、低韌性高脆性的缺陷得到大大改善、產(chǎn)品制造周期縮短效率提高成本降低外，球體傳動(dòng)槽處不需要鑲嵌金屬襯套，也使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，便于加工制造。
[0048]作為主要應(yīng)用于模具表面強(qiáng)化處理的滲硼技術(shù)，在模具制造方面的應(yīng)用與在本發(fā)明中創(chuàng)新應(yīng)用為硬密封球閥密封表面的強(qiáng)化處理手段，在應(yīng)用要求和強(qiáng)化層特性方面都有著很大的區(qū)別:模具的表面強(qiáng)化層需要在承受強(qiáng)沖擊和較大的疲勞應(yīng)力的工作條件下達(dá)到較高的可靠性和工作壽命，強(qiáng)化層除了要具有較高的硬度和耐磨性外，也要有合適的厚度，過(guò)厚則工作時(shí)易產(chǎn)生剝落破壞，通常要求不大于0.10?0.15mm，實(shí)際應(yīng)用時(shí)以0.04?0.1Omm居多。硬密封球閥的球體密封表面使用時(shí)產(chǎn)生破壞的一個(gè)主要原因是，閥門工作時(shí)強(qiáng)化層在與閥座密封面接觸的受壓面邊界處會(huì)產(chǎn)生較高的剪切應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，當(dāng)工作應(yīng)力過(guò)大時(shí)會(huì)使脆性的表面強(qiáng)化層產(chǎn)生裂紋進(jìn)而導(dǎo)致涂層剝落；要降低上述的接觸受壓面邊界處的工作應(yīng)力，途徑有三個(gè):增加閥座密封面的寬度(減小了接觸比壓)、增加強(qiáng)化層下的基體材料的硬度(減小了強(qiáng)化層受壓向下的微變形)、增加強(qiáng)化層的厚度(降低了強(qiáng)化層邊界處的工作應(yīng)力)，增加閥座密封面寬度是硬密封球閥通常的做法，但密封面太寬則不利于閥門獲得更好的密封性，因而同時(shí)也應(yīng)增加強(qiáng)化層的厚度和基體的硬度，使閥門密封表面在嚴(yán)苛工況下具有較高的使用可靠性；本發(fā)明選擇滲硼技術(shù)作為球體密封表面的強(qiáng)化處理手段，除了因?yàn)闈B硼層具有高硬度、高耐磨性的優(yōu)勢(shì)外，滲硼層在采取合適的滲硼工藝和措施后能夠達(dá)到較大的滲層厚度(最厚可達(dá)0.3?0.4_)以及滲硼后能夠進(jìn)行增加基體硬度的熱處理也是主要的一個(gè)方面；在保證球體表面具有較大的滲層厚度的前提下，采取合適的方式(如稀土共滲等等)來(lái)保證滲層的結(jié)合強(qiáng)度、韌性和耐磨性達(dá)到相應(yīng)要求。
[0049]實(shí)施例2
[0050]本實(shí)施例所述硬密封球閥球體的基體材料為3Cr2W8V，球體直徑為Φ 88mm，通流孔直徑Φ50πιπι。本實(shí)施例需要在該球體上通過(guò)高溫?cái)U(kuò)散滲的滲硼-釩-稀土的多元共滲工藝，在球體表層形成一層富集有金屬硼化物以及碳化釩等硬質(zhì)相微粒、與基體材料之間為冶金結(jié)合的強(qiáng)化層；擴(kuò)散滲后對(duì)3Cr2W8V基體進(jìn)行淬火熱處理使其具有較高的基體硬度。
[0051]制備過(guò)程如下:
[0052]準(zhǔn)備:3Cr2W8V下料后，鍛造為球形毛坯，鍛后進(jìn)行退火處理。下料后經(jīng)鍛造再進(jìn)行加工，可以減少材料消耗和加工成本；退火處理一方面是為了降低硬度、改善切削加工性能，另一方面也是為了消除組織缺陷和殘余內(nèi)應(yīng)力、細(xì)化晶粒，為后續(xù)的熱處理做組織準(zhǔn)備。除工件下料外，另準(zhǔn)備一塊相同材料的試塊、尺寸20X20X 10mm，同爐進(jìn)行多元共滲及基體淬火處理，用于檢測(cè)滲層硬度、厚度以及基體材料的熱處理硬度。
[0053]前加工:車加工球面及通流孔孔口與球面相交位置處的小圓角，通流孔及傳動(dòng)槽不加工；磨削和粗研球面。加工后表面粗糙度Ra ( 0.2 μ m，球面跳動(dòng)彡0.015_。
[0054]硼-釩-稀土鹽浴共滲:滲劑成分為:硼砂、氧化釩、碳化硼、鋁粉、氟化鈉、氟硼酸鉀、稀土、增滲劑。擴(kuò)散滲溫度:950°C，時(shí)間:9h。
[0055]基體淬火+回火處理:在擴(kuò)散滲后，工件由高溫狀態(tài)直接轉(zhuǎn)入淬火階段，升溫至淬火溫度進(jìn)行淬火處理。熱處理采用鹽浴爐進(jìn)行處理，工件的淬火和回火均在充分脫氧后的中性鹽浴中進(jìn)行。淬火、回火工藝規(guī)范:淬火_1075°C油冷；回火_570°C二次回火。滲后工件由高溫狀態(tài)直接轉(zhuǎn)入淬火階段，減少了工件由高溫到低溫、再由低溫到高溫的過(guò)程，更有利于控制工件的變形；將工件在中性鹽浴爐中進(jìn)行熱處理，是為了避免對(duì)已完成的滲硼層帶來(lái)影響。
[0056]后加工:完成球體通流孔和傳動(dòng)槽的加工；
[0057]研磨拋光:對(duì)球體表面進(jìn)行研磨和拋光加工使球面圓度和表面粗糙度達(dá)到要求。
[0058]硼-釩滲層硬度和厚度:經(jīng)試塊檢測(cè)，滲層硬度HV1550?1800，厚度0.18?0.21mm。滲層硬度遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)現(xiàn)行產(chǎn)品HVOF噴涂碳化鎢涂層的硬度HV750?850也顯著高于氧化鋯增韌陶瓷的硬度HV1200 ;滲層厚度與碳化鎢涂層的厚度較為接近，由于基體達(dá)到了足夠的高硬度、能夠?qū)Ρ砻鎻?qiáng)化層提供很有效的支撐，因此強(qiáng)化層在使用時(shí)能夠保證具有充分的可靠性。
[0059]3Cr2W8V基體硬度:經(jīng)試塊檢測(cè)，基體淬火回火硬度HRC45?48。
[0060]本實(shí)施例中，球體表面強(qiáng)化采用了硼-釩共滲并添加稀土，硼-釩共滲能夠同時(shí)發(fā)揮滲硼滲深大和滲釩硬度高的優(yōu)勢(shì)，使強(qiáng)化層在保持較大滲層厚度的同時(shí)，具有比單滲硼更高的硬度和更好的耐磨性，因而也比現(xiàn)有技術(shù)的密封表面具有更強(qiáng)的抗擦傷、抗磨損以及抗沖刷能力。同時(shí)，硼-釩共滲層具有很好的高溫?zé)嵊残?，能夠使閥門在高溫工況中可靠使用并達(dá)到較長(zhǎng)的使用壽命。
[0061]實(shí)施例3
[0062]本實(shí)施例所述的硬密封球閥其閥門壓力等級(jí)為300Lb，球體的基體材料為17-4PH，球體直徑為Φ 100mm、通流孔直徑Φ 59mm，需要在該球體上進(jìn)行滲硼-1凡-稀土的多元共滲工藝以形成具有較好的耐磨性的密封表面強(qiáng)化層。
[0063]制備過(guò)程如下所述:
[0064]準(zhǔn)備:17-4PH下料后鍛造為球形毛坯，鍛后帶溫進(jìn)爐進(jìn)行退火處理。同時(shí)，另準(zhǔn)備一塊相同材料、尺寸20X20X10mm的試塊同爐進(jìn)行多元共滲及基體熱處理，用于檢測(cè)滲層硬度、厚度以及基體材料的熱處理硬度。
[0065]前加工:車加工球面及通流孔孔口與球面相交位置處的小圓角，通流孔及傳動(dòng)槽不加工；磨削和粗研球面。加工后表面粗糙度Ra ( 0.2 μ m，球面跳動(dòng)彡0.015_。
[0066]硼-釩-稀土鹽浴共滲:滲劑成分為:硼砂、氧化釩、碳化硼、鋁粉、氟化鈉、氟硼酸鉀、稀土、增滲劑。擴(kuò)散滲溫度:950°C，時(shí)間:9h。
[0067]基體固溶+時(shí)效處理:在擴(kuò)散滲后工件由高溫狀態(tài)直接轉(zhuǎn)入固溶處理階段，升溫至固溶溫度進(jìn)行固溶處理。熱處理采用鹽浴爐進(jìn)行處理，工件的處理和時(shí)效均在充分脫氧后的中性鹽浴中進(jìn)行。固溶、時(shí)效工藝規(guī)范:固溶_1040°C快冷；時(shí)效_480°C空冷。
[0068]后加工:完成球體通流孔和傳動(dòng)槽的加工；
[0069]研磨拋光:對(duì)球體表面進(jìn)行研磨和拋光加工使球面圓度和表面粗糙度達(dá)到要求。
[0070]硼-釩滲層硬度和厚度:經(jīng)試塊檢測(cè)，滲層硬度HV1500?1650，厚度0.16?0.19mm。由于閥門的壓力等級(jí)較低因而密封面的密封比壓也相對(duì)不高，且基體具有較高的硬度、能夠?qū)Ρ砻鎻?qiáng)化層提供有效的支撐，因此強(qiáng)化層在使用時(shí)能夠保證具有充分的可靠性。
[0071]17-4PH基體硬度:經(jīng)試塊檢測(cè)，基體固溶、時(shí)效處理后的硬度為HRC39?42。
[0072]本實(shí)施例中，球體表面通過(guò)硼-釩-稀土共滲獲得了比現(xiàn)有技術(shù)的密封表面具有更強(qiáng)的抗擦傷、抗磨損能力的表面強(qiáng)化層；同時(shí)，滲硼層具有很好的耐蝕性，能夠使閥門在腐蝕性工況中可靠使用并達(dá)到較長(zhǎng)的使用壽命。
[0073]本說(shuō)明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于相應(yīng)【技術(shù)領(lǐng)域】的專業(yè)技術(shù)人員所公知的現(xiàn)有技術(shù)。
[0074]以上結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作了具體說(shuō)明，但這些實(shí)施例和說(shuō)明不能被理解為限制了本發(fā)明的范圍。本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員應(yīng)該知曉，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，其保護(hù)范圍由所附的權(quán)利要求書所界定，任何在不超出本發(fā)明權(quán)利要求書所界定的范圍內(nèi)的各種改動(dòng)、變型所形成的技術(shù)方案，都沒(méi)有偏離本發(fā)明的精神和技術(shù)實(shí)質(zhì)，仍然會(huì)屬于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種具有高耐磨密封表面的球閥球體，所述的球體為硬密封球閥的旋轉(zhuǎn)關(guān)閉件，與位于其兩側(cè)的金屬閥座組成密封偶件以實(shí)現(xiàn)閥門的啟閉和密封，其特征在于:在所述球體的球面表面有一層具有高耐磨性能的強(qiáng)化層，所述的強(qiáng)化層中富集有經(jīng)擴(kuò)散滲形成的金屬硼化物，強(qiáng)化層下側(cè)基體為經(jīng)淬火熱處理或固溶和時(shí)效熱處理而具有高硬度的基體材料，強(qiáng)化層與基體材料之間為冶金結(jié)合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體，其特征在于:所述的強(qiáng)化層中同時(shí)還分布有經(jīng)擴(kuò)散滲形成的碳化釩微粒。
3.—種如權(quán)利要求1或2所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:制備方法其中包括以下步驟: 前加工步驟:進(jìn)行球體的球面加工，球體通流孔和傳動(dòng)槽不加工； 擴(kuò)散滲步驟:進(jìn)行球體表面的滲硼或硼釩共滲處理； 基體熱處理步驟:進(jìn)行旨在提高基體硬度的淬火+回火處理或固溶+時(shí)效處理； 后加工步驟:進(jìn)行球體通流孔和傳動(dòng)槽的加工； 研磨拋光步驟:進(jìn)行旨在改善球面圓度和表面粗糙度的研磨拋光加工。
4.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在球體的球面加工步驟前，還包括有鍛造和退火加工工序。
5.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在球體的球面加工步驟中，還包含有對(duì)在通流孔孔口與球面相交位置處的小圓角的加工。
6.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在球體的球面加工步驟中，還包含有對(duì)所加工的球面進(jìn)行粗研加工。
7.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在擴(kuò)散滲步驟中，在滲劑中添加稀土進(jìn)行稀土共滲。
8.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在基體熱處理步驟中，將工件在充分脫氧后的中性鹽浴爐中進(jìn)行加熱。
9.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在基體熱處理步驟中，采用真空高壓氣淬工藝對(duì)工件進(jìn)行熱處理。
10.如權(quán)利要求3所述的具有高耐磨密封表面的球閥球體的制備方法，其特征在于:在擴(kuò)散滲步驟和基體熱處理步驟中，工件在滲后直接轉(zhuǎn)入淬火或固溶階段，升溫或降溫至淬火或固溶溫度進(jìn)行處理。
【文檔編號(hào)】C23F17/00GK104455538SQ201410755837
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】章華 申請(qǐng)人:章華