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金屬密封偏心球閥硬化工藝概述

 1 概述
    在火力發電廠、石油化工系統、煤化工領域的高粘性流體、帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強腐蝕的流體等介質中,球閥需要選用金屬硬密封球閥,所以選用合適的金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化工藝十分重要。
    2 金屬硬密封球閥閥球和閥座的硬化方式
    目前金屬硬密封球閥球體表面常用的硬化工藝主要有以下幾種:
    (1)球體表面堆焊(或噴焊)硬質合金,硬度可達40HRC以上,球體表面堆焊硬質合金工藝復雜,生產效率低,且大面積堆焊易使零件產生變形,目前對球體表面硬化的工藝使用較少。
    (2)球體表面鍍硬鉻,硬度可達60~65HRC,厚度0.07~0.10mm,鍍鉻層硬度高、耐磨、耐蝕并能長期保持表面光亮,工藝相對簡單,成本較低。但硬鉻鍍層的硬度在溫度升高時會因其內應力的釋放而迅速降低,其工作溫度不能高于427℃。另外鍍鉻層結合力低,鍍層易發生脫落。
    (3)球體表面采用等離子氮化,表面硬度可達60~65HRC,氮化層厚度0.20~0.40mm,等離子氮化處理硬化工藝由于耐腐蝕性較差,不能在化工強腐蝕等領域使用。
    (4)球體表面超音速噴涂(HVOF)工藝,硬度最高可達70~75HRC,集合強度高,厚度0.3~0.4mm,超音速噴涂是球體表面硬化主要工藝手段。在火力發電廠、石油化工系統、煤化工領域的高粘性流體;帶粉塵及固體顆粒狀的混合流體、強腐蝕的流體介質中大部分使用該硬化工藝。
    超音速噴涂工藝是氧燃料燃燒產生高速氣流加速粉末粒子撞擊工件表面,形成致密表面涂層的一種工藝方法。在撞擊過程中,由于粒子的速度較快(500~750m/s)且粒子溫度較低(-3000℃),因此撞擊工件表面后,可以獲得高結合強度、低空隙率、低氧化物含量的涂層。HVOF的特點是合金粉末粒子速度超過音速,甚至是音速的2~3倍,氣流速度是音速的4倍。
    HVOF是一種新的加工工藝,噴涂厚度0.3~0.4mm,涂層與工件之間是機械結合,結合強度高(77MPa),涂層孔隙率低(<1%)。該工藝對工件加熱溫度低(<93℃),工件不變形,可進行冷噴涂。噴涂時,粉末粒子速度高(1370m/s),無熱影響區,工件的成分和組織無變化,涂層硬度高,可進行機加工。
    噴焊是一種金屬材料表面熱噴涂處理工藝。它是通過熱源將粉末(金屬粉末、合金粉末、陶瓷粉末均可)加熱到熔融或達到高塑性狀態后,依靠氣流將其噴射,沉積到預先處理過的工件表面上,形成一層與工件表面(基材)結合牢固的涂(焊)層。
    噴焊和堆焊硬化工藝中硬質合金與基體均具有熔融過程,硬質合金與基體集合處有熱融區,為完全達到噴焊或堆焊硬質合金層性能,避免加工后焊接熱融區為金屬接觸面,建議噴焊或堆焊硬質合金厚度需要大于3mm以上。
    3 硬密封球閥閥球和閥座接觸面的硬度配合
    金屬滑動接觸面需具有一定的硬度差,否則容易發生咬死現象。在實際運用中,一般閥球和閥座的硬度差在5~10HRC,該硬度差使球閥能具有較好使用壽命。由于球體加工復雜,加工成本高,為保護球體不易受到損壞和磨損,一般選擇球體的硬度高于閥座表面的硬度。
    閥球和閥座接觸表面硬度配合使用比較廣泛的有兩種硬度配合:①閥球表面硬度55HRC,閥座表面45HRC,閥球表面可采用超音速噴涂Stellite20合金,閥座表面可采用堆焊Stellite12合金,該硬度配合是金屬密封球閥使用最廣范的硬度配合,能滿足金屬硬密封球閥常規磨損要求;②閥球表面硬度68HRC,閥座表面58HRC,閥球表面可采用超音速噴涂碳化鎢,閥座表面可采用超音速噴涂Stellite20合金,該硬度配合廣泛使用與煤化工領域,具有較高的耐磨性和使用壽命。
    在國外有使用閥球和閥座表面硬度相同的配合,閥球和閥座表面均采用超音速噴涂碳化鎢工藝,表面硬度均大于72HRC,即使在超高硬度情況下,閥球和閥座接觸表面也不易發生咬死,但目前國內閥球制作表面硬度大于72HRC的閥球、閥座沒有成熟的研磨工藝,很難保證閥球和閥座的配合,使用較少。
    4 硬密封球閥閥球和閥座硬化注意問題
    金屬硬密封球閥閥球和閥座材料一般都選擇不銹鋼或耐腐蝕材料,否則硬質合金與閥座(或閥球)結合層容易被介質腐蝕,發生硬質合金層脫落,影響球閥壽命。
    另外針對不同的閥座(或閥球)材料應選擇合適的硬化工藝,在煤化工領域中雙相不銹鋼材料被廣泛使用,雙相不銹鋼材料具有良好的耐腐蝕疲勞和磨損腐蝕性能。
    雙相不銹鋼材料是一種既具有鐵素體又具有奧氏體組織結構的鋼種,鐵素體和奧氏體組織結構各占約50%,且二相組織是獨立存在的,其性能特點是兼有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼的特性。在鐵素體不銹鋼特性中,當溫度在400~500℃范圍內,長時間保溫會產生強烈的脆化,這種現象一般稱為475℃脆化;溫度超過400~500℃時,雙相不銹鋼性能會被破壞。
    雙相不銹鋼材料若采用噴焊或堆焊硬質合金工藝方法,該工藝硬質合金和基體發生融溶過程(溫度一般均大于900℃),會破壞雙相不銹鋼材料的金相組織,故雙相不銹鋼材料不適合用噴焊(或堆焊)硬質合金的硬化工藝。雙相不銹鋼材料表面硬化工藝適合使用超音速噴涂工藝,硬化工藝必須保證不能對雙相不銹鋼材料基體金相組織產生破壞。
    5 結語
    金屬硬密封球閥的閥球和閥座采用合理的硬化工藝,可提高直接決定金屬硬密封閥門的使用壽命和使用性能,合理的硬化工藝能降低制造成本。隨著新技術的不斷出現,必定會有更多的硬化處理工藝,金屬硬密封閥門的硬化工藝和硬度配合是個非常復雜的問題,因此在對硬密封閥門設計、材料選擇、硬化工藝和硬度配合,應給予充分的重視。

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