强化阀门用阀轴高温耐磨性能的复合制造工艺

技术领域

本发明涉及阀门制造技术领域，具体地说是一种强化阀门用阀轴高温耐磨性能的复合制造工艺。

背景技术

大型高温蝶阀的阀杆材料通常采用奥氏体不锈钢（如316、XM-19等），这类材料虽然可以在高温下使用，但材料无法通过热处理进行强化，高温下的硬度较低，使用过程中容易与配合的衬套等零件发生黏着磨损，零件之间容易发生机械咬合；高温下阀轴表面在蒸汽或烟气中氧化加剧，体积膨胀的氧化物卡在间隙中造成阀门卡涩。为避免衬套与轴之间的卡涩，通常采用阀轴和衬套表面硬化工艺防止咬合，但镀镍、镀铬等工艺使用温度一般不超过316℃，而离子氮化工艺会显著降低表面的耐蚀和耐氧化性能，较高的工艺温度也会造成零件的变形。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种强化阀门用阀轴高温耐磨性能的复合制造工艺。

按照本发明提供的技术方案，所述强化阀门用阀轴高温耐磨性能的复合制造工艺，该工艺包括以下步骤：

S1、首先将阀轴的外表面机加工出堆焊槽，然后将阀轴进行焊前预热处理，最后在阀轴的堆焊槽内堆焊钴基合金或镍基合金，堆焊工艺厚度控制在1.5~2.5mm，堆焊后立即将阀轴进行缓冷处理；

S2、将阀轴进行焊后退火消应热处理，然后进行车加工，保留0.2~0.3mm的磨削余量；

S3、将阀轴磨削加工至最终尺寸，然后利用超声滚压进行表面处理，滚压后阀轴表面经有机溶剂清洗；

S4、利用物理气相沉积法在堆焊层表面沉积一层TiN或DLC涂层，厚度2~5μm。

作为优选，形成所述钴基合金的钴基粉末成分如下：C为0.9~1.4wt%、Mn为0.5~0.8wt%、Cr为28~31wt%、Ni为2~2.5wt%、Mo为0.8~1.0wt%、W为8~10wt%、Si为1~1.5wt%和Fe为2~2.5wt%，余量为Co；

或者，形成所述镍基合金的镍基粉末成分如下：C为0.6~1.0wt%、Cr为17~20wt%、Si为3~4wt%、Fe为3~5wt%、B为2.5~4wt%，余量为Ni。

作为优选，所述阀轴为奥氏体不锈钢类阀轴，在其堆焊槽内采用钴基合金或镍基合金进行堆焊；

或者，所述阀轴为马氏体或沉淀硬化类合金阀轴，在其堆焊槽内采用钴基合金进行堆焊。

作为优选，等离子堆焊的工艺参数为：焊接电流100~160A，喷嘴直径3.2/4.0mm，钨极直径3.2mm，送粉量18~30g/min，单层多道焊，搭接率40~50%，保护气流量12~20L/min，在起弧前提前5秒送保护气，灭弧后延时5秒送保护气。

作为优选，堆焊钴基合金的焊前预热温度为300~350℃，保温时间至少为1h，堆焊过程中对阀轴的非堆焊区域进行保温，保证非堆焊区域的阀轴温度为250~300℃；

或者，堆焊镍基合金的焊前预热范围为450~500℃，保温时间至少为1h；堆焊过程中对阀轴的非堆焊区域进行保温，保证非堆焊区域的阀轴温度为400~450℃。

作为优选，缓冷处理的降温幅度控制在50℃/h以下，经过缓冷处理后将阀轴的温度降低至10~30℃。

作为优选，S2步骤中，使用奥氏体不锈钢类阀轴在加工前进行退火消应处理，热处理温度430~480℃，保温时间6~8h，随炉冷却。

作为优选，S3步骤中，磨削加工至Ra0.4μm后，再使用超声滚压表面处理工艺提高表面粗糙度至Ra0.2μm，超声滚压的具体参数：线速度60~80m/min，进刀速度0.25mm/r，工具头与谐振片的工作间隙0.02~0.03mm，压力表压至130~150μm，谐振电压10~12.5V。

作为优选，S4步骤中，使用真空蒸镀工艺在表面处理后的堆焊层表面沉积TiN镀层，镀层硬度2200~2500HV，镀层厚度2~5μm；

或者，S4步骤中，使用真空蒸镀工艺在表面处理后的堆焊层表面沉积DLC镀层，镀层硬度1800~2200HV，镀层厚度1~4μm。

通过本发明的工艺提高了阀轴配合区域的表面硬度，降低了表面摩擦系数，显著改善了蝶阀在高温工况下的卡涩问题。

附图说明

图1为实施例1的截面金相组织图。

图2为实施例2的截面金相组织图。

图3为实施例1和实施例3的截面硬度梯度分布图。

图4为实施例3的镀层厚度的球痕法检测结果图。

图5为实施例3的镀层厚度的附着性检测结果图。

图6为实施例1的摩擦系数图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细说明，本部分示例性说明不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

实施例1

过热蒸汽管道三偏心蝶阀（设计温度593℃）的阀轴采用奥氏体不锈钢XM-19材料，阀轴状态为固溶退火态，该阀轴的高温耐磨性能的复合制造工艺包括以下步骤：

S1、首先将阀轴的外表面机加工出堆焊槽，然后将阀轴进行焊前预热处理，最后在阀轴的堆焊槽内堆焊钴基合金，堆焊工艺厚度控制在1.5mm，堆焊后立即将阀轴放入蛭石砂中进行缓冷处理，缓冷处理的降温幅度控制在45℃/h，经过缓冷处理后将阀轴的温度降低至20℃。

S2、将阀轴进行焊后退火消应热处理，热处理温度450℃，保温时间8h，随炉冷却，然后进行车加工，保留0.2~0.3mm的磨削余量；

S3、将阀轴磨削加工至最终尺寸，使表面粗糙度达到Ra0.4μm，然后利用超声滚压进行表面处理，提高表面粗糙度至Ra0.2μm，滚压后阀轴表面经丙酮溶剂清洗；

S4、利用真空蒸镀工艺在堆焊层表面沉积TiN涂层，厚度2μm，显微硬度为2300HV，随炉试样见图1。

其中，S1步骤中的焊前预热处理参数控制在：焊前预热温度为300℃，保温时间为1~1.5h，堆焊过程中对阀轴的非堆焊区域进行保温，保证非堆焊区域的阀轴温度为250℃；

S1步骤中的等离子堆焊的工艺参数为：焊接电流130~140A，摆幅20mm，搭接率50%，喷嘴直径φ3.2mm，堆焊速度30~32mm/min，送粉量22~25g/min，保护气流量12~20L/min，在起弧前提前5秒送保护气，灭弧后延时5秒送保护气；

S1步骤中的形成所述钴基合金的钴基粉末成分如下：C为0.9~1.4wt%、Mn为0.5~0.8wt%、Cr为28~31wt%、Ni为2~2.5wt%、Mo为0.8~1.0wt%、W为8~10wt%、Si为1~1.5wt%和Fe为2~2.5wt%，余量为Co，硬度45~50HRC；

S3步骤中超声滚压表面处理工艺的具体参数：线速度60~80m/min，进刀速度0.25mm/r，工具头与谐振片的工作间隙0.02~0.03mm，压力表压至130~150μm，谐振电压10~12.5V。

实施例2

过热蒸汽管道用直通球阀（设计温度300℃）的阀轴采用马氏体不锈钢F6a材质，该阀轴的高温耐磨性能的复合制造工艺包括以下步骤：

S1、首先将阀轴的外表面机加工出堆焊槽，然后将阀轴进行焊前预热处理，最后在阀轴的堆焊槽内堆焊钴基合金，堆焊工艺厚度控制在1.5mm，堆焊后立即将阀轴放入蛭石砂中进行缓冷处理，缓冷处理的降温幅度控制在30℃/h，经过缓冷处理后将阀轴的温度降低至25℃。；

S2、将阀轴进行焊后退火消应热处理，然后进行车加工，保留0.2mm的磨削余量，车加工后经过真空调质处理，即在真空热处理炉中840~880℃气淬，然后在620~660℃回火处理，硬度控制在210~250HBW；

S3、将阀轴磨削加工至最终尺寸，使表面粗糙度达到Ra0.4μm，然后利用超声滚压进行表面处理，提高表面粗糙度至Ra0.2μm，滚压后阀轴表面经丙酮溶剂清洗；

S4、利用真空蒸镀工艺在堆焊层表面沉积DLC涂层，厚度2μm，显微硬度为2200HV，随炉试样见图2。

其中，S1步骤中的焊前预热处理参数控制在：焊前预热温度为300℃，保温时间为1~1.5h，堆焊过程中对阀轴的非堆焊区域进行保温，保证非堆焊区域的阀轴温度为250℃；

S1步骤中的等离子堆焊的工艺参数为：焊接电流110~120A，摆幅15mm，搭接率50%，喷嘴直径φ3.2mm，堆焊速度35~38mm/min，送粉量22~25g/min，保护气流量12~20L/min，在起弧前提前5秒送保护气，灭弧后延时5秒送保护气。

S1步骤中的形成所述钴基合金的钴基粉末成分如下：C为0.9~1.4wt%、Mn为0.5~0.8wt%、Cr为28~31wt%、Ni为2~2.5wt%、Mo为0.8~1.0wt%、W为8~10wt%、Si为1~1.5wt%和Fe为2~2.5wt%，余量为Co，硬度45~50HRC。

S3步骤中超声滚压表面处理工艺的具体参数：线速度60~80m/min，进刀速度0.25mm/r，工具头与谐振片的工作间隙0.02~0.03mm，压力表压至130~150μm，谐振电压10~12.5V。

实施例3

阀轴采用奥氏体不锈钢316材料，阀轴状态为固溶退火态，该阀轴的高温耐磨性能的复合制造工艺包括以下步骤：

S1、首先将阀轴的外表面机加工出堆焊槽，然后将阀轴进行焊前预热处理，最后在阀轴的堆焊槽内堆焊镍基合金，堆焊工艺厚度控制在1.5mm，堆焊后立即将阀轴放入蛭石砂中进行缓冷处理，缓冷处理的降温幅度控制在40℃/h，经过缓冷处理后将阀轴的温度降低至25℃；

S2、将阀轴进行焊后退火消应热处理，热处理温度450℃，保温时间8h，随炉冷却，然后进行车加工，保留0.2mm的磨削余量；

S3、将阀轴磨削加工至最终尺寸，使表面粗糙度达到Ra0.4μm，然后利用超声滚压进行表面处理，提高表面粗糙度至Ra0.2μm，滚压后阀轴表面经丙酮溶剂清洗；

S4、利用磁控溅射工艺在堆焊层表面磁控溅射工艺沉积TiN涂层，厚度4.8μm，显微硬度为2400HV。

其中，S1步骤中的焊前预热处理参数控制在：焊前预热温度为450℃，保温时间为1~1.5h，堆焊过程中对阀轴的非堆焊区域进行保温，保证非堆焊区域的阀轴温度为400℃；

S1步骤中的等离子堆焊的工艺参数为：焊接电流130~140A，摆幅20mm，搭接率50%，喷嘴直径φ3.2mm，堆焊速度30~32mm/min，送粉量22~25g/min，保护气流量12~20L/min，在起弧前提前5秒送保护气，灭弧后延时5秒送保护气。

S1步骤中形成所述镍基合金的镍基粉末成分如下：C为0.6~1.0wt%、Cr为17~20wt%、Si为3~4wt%、Fe为3~5wt%、B为2.5~4wt%，余量为Ni，硬度55~60HRC。

S3步骤中超声滚压表面处理工艺的具体参数：线速度60~80m/min，进刀速度0.25mm/r，工具头与谐振片的工作间隙0.02~0.03mm，压力表压至130~150μm，谐振电压10~12.5V。

实施例4

该实施例为实施例1的另一种实现方式，用于阀轴长度过长（一般为超过1.2米）难以进行物理气相沉积时的改良方案——阀轴进行堆焊钴基或镍基合金后不进行真空蒸镀，而是在316材质衬套内表面堆焊硬度低于阀轴堆焊层硬度的钴基或镍基合金，经焊后热处理和磨削、滚压后，在衬套内外表面沉积TiN镀层，与阀轴配合使用时达到高温耐磨减摩的效果。

截面硬度梯度分布检测结果：图3为实施例1和实施例3的试样截面硬度分布结果，从涂层表面开始每0.2mm采集一个数据点，并在堆焊层与母材的融合区域适当加密了采集密度。材料表面PVD镀层的硬度数据采用纳米压痕法测定，堆焊层与母材的硬度按GB/T4341的要求测定。实际测得堆焊硬化层厚度达到1.5mm，钴基堆焊层硬度达到400HV以上，镍基层硬度达到680HV以上，镍基层对表面TiN镀层的硬度有一定的优化作用。

镀层厚度和附着性检测：图4为实施例3的镀层厚度和粘着性检测结果，镀层厚度按GB/T18682的球痕法规定检测，五点平均结果为4.98μm；镀层进行附着性按VDI3198规定检测，经压痕试验后镀层无明显的微裂纹和起皮剥落现象，附着力达到HF1要求。

摩擦系数：图5为实施例1的摩擦系数，试验按球盘摩擦磨损试验进行，摩擦副采用φ6.35mm的氮化硅陶瓷球，载荷80N，摩擦半径12mm，转速300rpm，试验时间为20min。从摩擦系数的变化可知，TiN镀层在试验前270s内对堆焊层有较好的保护作用，摩擦系数稳定在0.35左右，随着镀层的逐件破裂磨损，陶瓷球与钴基堆焊层的磨损逐渐加剧，摩擦系数开始波动并缓慢升高至0.4以上。可见，本实施例的工艺对减摩耐磨性能有较好的提升作用。