一種硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于金屬表面硬化處理技術領域,具體設及一種對硬密封球閥密封副的表 面硬化處理方法。
【背景技術】
[0002] 硬密封球閥是指球閥密封副(即球體密封面與閥座密封面)的材料配對為金屬對 金屬的球閥。其中,球體和閥座作為硬密封球閥的核屯、部件,一旦兩者之間組成的密封副失 效將導致硬密封球閥的使用壽命終止,而球體和閥座之間的磨損、劃傷和誘蝕是引起兩者 組成的密封副失效的主要原因。因此,提高硬密封球閥中球體和閥座兩者之間的硬度和耐 磨性是提高硬密封球閥使用壽命的重要途徑。
[0003] 目前,提高硬密封球閥密封副的硬度和耐磨性主要依靠對球體和閥座的表面處 理,其中最常規(guī)的方式為氮化熱處理。通過氮化熱處理在球體和閥座的表面各自形成一層 0.1~0.3mm的氮化層,從而提高其表面的硬度和耐磨性。但是氮化熱處理后的球體和閥座 的表面耐蝕性較差,容易產生誘蝕。而且由于氮化熱處理的溫度高、時間長,極易引起球體 和閥座的外形尺寸變化,此時需要對球體和閥座的外形尺寸進行修整,保證兩者的配合尺 寸。但是,當外形尺寸變化較大時,對球體和閥座的外形尺寸修整將導致氮化層厚度減小甚 至消失,從而使表面硬度大大減低,縮短了硬密封球閥的使用壽命。
【發(fā)明內容】
[0004] 為了解決硬密封球閥密封副在采用常規(guī)表面硬化處理后,無法同時滿足硬度、耐 磨性和耐蝕性的問題,本發(fā)明提出了一種全新的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法。 通過采用全新的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,使球體和閥座的配合表面形成一 層具有耐磨、耐蝕W及高硬度的復合硬化層,從而提高硬密封球閥的使用壽命。
[0005] 本發(fā)明的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法:首先對球體和閥座進行噴焊儀 基合金的表面硬化處理,形成硬度為550~750HV的硬化層;然后對完成噴焊儀基合金的表 面硬化處理的球體和閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理,使所述球體和所述閥座的最 終表面硬度達到1400~1800HV。
[0006] 優(yōu)選地,所述球體和所述閥座首先通過噴焊不同成分的儀基合金,使兩者之間產 生50~150HV的表面硬度差,再通過物理氣相沉積的表面硬化處理將球體和閥座之間的表 面硬度差最終控制在150~250HV。
[0007] 進一步優(yōu)選地,所述球體和所述閥座噴焊的不同儀基合金可W為M65和M60, Ni62和M55,Ni60和M55中的任意一組。
[0008] 優(yōu)選地,所述球體和所述閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理時,表面涂層介 質選用CrN,提高球體和閥座的耐磨和抗蝕性能。
[0009] 進一步優(yōu)選地,所述球體和所述閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理時,溫度 在300~350°C,時間為化,硬化層厚度控制為3~如m。
[0010] 優(yōu)選地,本發(fā)明還包括對所述球體和所述閥座進行研磨處理,所述研磨處理在所 述噴焊儀基合金的表面硬化處理和所述物理氣相沉積的表面硬化處理之間進行,對球體和 閥座的表面進行尺寸修整和提高光潔度。
[0011] 進一步優(yōu)選地,所述球體和所述閥座完成表面研磨處理后,表面粗糖度^ RO.祉m, 從而降低球體與閥座之間的摩擦系數(shù),減小摩擦力。
[0012] 進一步優(yōu)選地,所述球體和所述閥座完成表面研磨處理后,對所述球體和所述閥 座表面進行清潔處理。
[0013] 優(yōu)選地,所述球體和所述閥座采用相同的基體材質,提高加工效率,降低加工成 本。
[0014] 進一步優(yōu)選地,所述球體和所述閥座的基體材質選用不誘鋼。
[0015] 與常規(guī)硬密封球閥密封副的表面硬化處理相比,本發(fā)明的表面硬化處理產生了 W 下有益效果:
[0016] 1、本發(fā)明通過采用噴焊儀基合金和物理氣相沉積的復合式表面硬化處理,使球體 和閥座的表面首先形成一層硬度為550~750HV的儀基合金硬化層,再W該儀基合金硬化層 為基礎,通過物理氣相沉積的處理方式,在球體和閥座表面最終形成一層硬度達到1400~ 1800HV并且具有耐蝕性的復合硬化層。從而同時滿足球體和閥座在工作過程中對硬度、耐 磨性W及耐蝕性的要求,達到提高硬密封球閥使用壽命的效果。
[0017] 2、本發(fā)明通過進一步對球體和閥座進行差異式處理,即通過對球體和閥座噴焊不 同成分的儀基合金,使兩者之間形成一個50~150HV的表面硬度差,并且W該硬度差為基礎 進行物理氣相沉積處理后,在球體與閥座之間最終形成一個150~250HV的表面硬度差。該 表面硬度差的存在,對球體和閥座之間的摩擦特性進行了改善,使球體與閥座之間的耐磨 性能得到提升,從而提高了球體與閥座的磨損壽命,進而提高了球閥的使用壽命。
【具體實施方式】
[0018] 本發(fā)明通過對硬密封球閥密封副的常規(guī)表面硬化處理方法的改進,使球體和閥座 的表面可W獲得耐磨、耐蝕W及高硬度的復合硬化層,從而提高球閥的使用壽命。本發(fā)明的 具體步驟如下:
[0019] 步驟1,準備工作。根據(jù)加工工藝的要求,完成對球體和閥座的機械加工,并對其表 面進行必要的清潔和修整工作。
[0020] 步驟2,噴焊儀基合金的表面硬化處理。對經過表面清潔和修整的球體和閥座進行 噴焊儀基合金的表面硬化處理,使球體和閥座的表面分別形成一層儀基合金硬化層,該硬 化層的硬度在550~750HV之間。并且根據(jù)球體和閥座的尺寸要求,通過控制噴焊儀基合金 的時間對硬化層的厚度進行適當調整,W便后續(xù)步驟的處理。通過采用噴焊的表面硬化處 理方式完成對球體和閥座的初步硬化處理,可W避免采用常規(guī)化學熱處理時在球體和閥座 表面形成硬化層厚度淺且不均的問題,提高了加工的效率和產品的合格率。此外,根據(jù)實際 加工情況W及對球體和閥座的要求,也可W采用堆焊儀基合金的表面硬化處理方式,形成 一層厚度可控且硬度在550~750HV的硬化層。
[0021] 步驟3,研磨和清潔處理。對完成噴焊儀基合金的球體和閥座進行研磨處理,消除 由于步驟2的表面硬化處理對球體和閥座的外形尺寸所引起的變化。本發(fā)明通過對球體和 閥座的匹配研磨,不僅可W提高球體和閥座的外形尺寸精度,而且還可W提高兩者之間的 配合精度,進而滿足硬密封球閥對密封性能的要求。球體和閥座完成研磨后還需要進行必 要的清潔處理,將殘留的磨料清除干凈,保證后續(xù)處理的效果。根據(jù)使用要求,將球體和閥 座研磨后的表面粗糖度控制在0.如mW內,W降低球體和閥座之間的摩擦系數(shù),減小摩擦 力。
[0022] 步驟4,物理氣相沉積的表面硬化處理。對通過步驟3的匹配研磨和清潔處理后的 球體和閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理,根據(jù)球閥使用工況的不同,通過選用不同 的涂層介質,使球體和閥座表面覆蓋一層硬度高、耐蝕性強W及化學性能穩(wěn)定的復合硬化 層。其中選用涂層介質CrN,進行物理氣相沉積的表面硬化處理時,溫度為300~350°C,時間 為化,厚度為3~扣m,硬度達到1400~1800HV。還可W選擇其他涂層介質,例如金屬氮化物 TiN,金屬碳化物TiC或者金屬碳氮化合物TiCN,從而滿足球閥對硬度、耐蝕性W及高溫高壓 的不同性能要求。
[0023] 本發(fā)明通過對硬密封球閥密封副采用噴焊儀基合金和物理氣相沉積的復合式表 面硬化處理,最終在球體和閥座的表面形成一層耐磨、耐蝕W及高硬度的復合硬化層,使球 閥同時滿足對硬度、耐磨性和耐蝕性的要求,從而延長球閥的使用壽命。
[0024] 根據(jù)摩擦學理論,在摩擦接觸過程中,粘著與切削兩種機制共同存在。摩擦條件的 改變將改變其中之一所占的比重。對于切削機制本身,摩擦副雙方硬度間的差別將影響粗 糖摩擦表面突出峰相互壓入的深度及相互切削時切削阻力的大小,從而對摩擦副的摩擦特 性產生影響。
[0025] 進一步改進,本發(fā)明在進行噴焊儀基合金的表面硬化處理過程中,通過對球體和 閥座分別噴焊不同成分的儀基合金,使球體和閥座獲得不同的表面硬度,并且產生一個50 ~150HV的表面硬度差,并W該硬度差為基礎,使通過物理氣相沉積的表面硬化處理后的球 體和閥座之間最終存在150~250HV的表面硬度差。在最終表面硬度差的作用下,對球體與 閥座之間組成的摩擦副的摩擦特性產生影響,降低球體和閥座之間的磨損,從而提高球閥 的密封性能和使用壽命。其中,最終表面硬度差既可W是球體硬度高于閥座硬度,也可W是 閥座硬度高于球體硬度。
[0026] 示例1,分別W不誘鋼和45#鋼作為基體,進行噴焊儀基合金和物理氣相沉積的表 面硬化處理的試驗。其中,進行物理氣相沉積的表面硬化處理時選用&N作為涂層介質。下 表中M55指的是進行噴焊M55的表面硬化處理,PVD指的是進行物理氣相沉積的表面硬化 處理。
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[0029] W硬度為200HV的不誘鋼為基體時,對表面噴焊Ni55的處理后,表面硬化層厚度為 1033皿,硬度達到542HV,再進行物理氣相沉積處理,溫度為315°C,時間為化,鍛層厚度為 4.76皿,此時表面最終硬度提升到1433HV;對表面噴焊M65的處理后,表面硬化層厚度為 95化m,硬度達到710HV,再進行物理氣相沉積處理,溫度為322 °C,時間為化,鍛層厚度為 4.54皿,此時表面硬度最終提升到1746^。^硬度為2501^的45#鋼為基體時,對表面噴焊 Ni55的處理后,表面硬化層厚度為863WI1,硬度達到563HV,再進行物理氣相沉積,溫度為320 °C,時間為化,鍛層厚度為4.57皿,此時表面硬度最終提升到1480^;對表面噴焊化65的處 理后,表面硬化層厚度為854曲1,硬度達到731HV,再進行表面物理氣相沉積處理,溫度為308 °C,時間為化,鍛層厚度為4.55皿,此時表面硬度最終提升到1771HV。
[0030] 本示例通過對基體進行噴焊儀基合金和物理氣相沉積的復合表面硬化處理,在基 體表面最終產生一層硬度達到1400~1800HV的硬化層,并且由于化N涂層的作用使硬化層 同時具有了較強的耐磨性和耐蝕性。本示例中進行物理氣相沉積的表面硬化處理時選用的 涂層介質是CrN,也可W根據(jù)球閥的使用工況選用其他涂層介質,例如金屬氮化物TiN,金屬 碳化物TiC或者金屬碳氮化合物TiCN。
[0031]示例2, W實際生產硬密封球閥使用最多的材質不誘鋼作為基體,對球體和閥座進 行噴焊不同成分儀基合金的表面硬化處理和選用&N涂層介質進行物理氣相沉積的表面硬 化處理,并將處理后的球體和閥座組裝成球閥進行開關測試試驗。
[00創(chuàng)試驗參數(shù):介質為干燥空氣,介質壓力為5MPa,介質溫度為20~30°C,開關頻率為5 次/分鐘。其中開關次數(shù)是指將處理后的球體和閥座組裝成球閥進行開關測試,W球閥不出 現(xiàn)空氣泄漏為標準記錄開關操作的次數(shù)。
[0033]
[0034] 球體和閥座采用M60+PVD與M55+PVD的配對處理時,球體表面硬度為1610HV,閥 座表面硬度為1433HV,此時存在177HV的硬度差,開關試驗次數(shù)達到1243次遠遠優(yōu)于采用 Ni60與M55、Ni60與M55+PVDW及Ni60+PVD與M55的S組配對處理效果;同樣,當球體與閥 座采用M62+PVD與M55+PVD的配對處理時,球體表面硬度為1718HV,閥座表面硬度為 1463HV,此時存在255HV的硬度差,開關試驗次數(shù)達到1336次;當球體與閥座采用M65+PVD 與M60+PVD的配對處理時,球體表面硬度為1762HV,閥座表面硬度為1605HV,此時存在 157HV的硬度差,開關試驗次數(shù)達到1432次。
[0035] 本示例通過對采用相同基體不誘鋼的球體與閥座進行噴焊不同成份的儀基合金 的表面硬化處理和物理氣相沉積的表面硬化處理,并將配對的球體與閥座之間的硬度差最 終控制在150~250HV,使球體與閥座之間的磨損達到最佳效果,從而提高了球閥的使用壽 命D
【主權項】
1. 一種硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,所述硬密封球閥密封副由球體和閥座 構成,其特征在于,首先對所述球體和所述閥座進行噴焊鎳基合金的表面硬化處理,形成硬 度為550~750HV的硬化層;然后對完成噴焊鎳基合金的表面硬化處理的球體和閥座進行物 理氣相沉積的表面硬化處理,使所述球體和所述閥座的最終表面硬度達到1400~1800HV。2. 根據(jù)權利要求1所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特征在于,所述球 體和所述閥座首先通過噴焊不同成分的鎳基合金,使兩者之間產生50~150HV的表面硬度 差,再通過物理氣相沉積的表面硬化處理將球體和閥座之間的表面硬度差最終控制在150 ~250HV。3. 根據(jù)權利要求2所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特征在于,所述球 體和所述閥座噴焊的不同鎳基合金可以為M65和Ni60,Ni62和Ni55,Ni60和M55中的任意 一組。4. 根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特 征在于,所述球體和所述閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理時,表面涂層介質選用 CrN〇5. 根據(jù)權利要求4所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特征在于,所述球 體和所述閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理時,溫度在300~350°C,時間為3h,硬化層 厚度為3~5μηι。6. 根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特 征在于,還包括對所述球體和所述閥座進行研磨處理,所述研磨處理在所述噴焊鎳基合金 的表面硬化處理和所述物理氣相沉積的表面硬化處理之間進行。7. 根據(jù)權利要求6所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特征在于,所述球 體和所述閥座完成表面研磨處理后,表面粗糙度< R0.8μπι。8. 根據(jù)權利要求6所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特征在于,所述球 體和所述閥座完成表面研磨處理后,對所述球體和所述閥座的表面進行清潔處理。9. 根據(jù)權利要求1-3中任意一項所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特 征在于,所述球體和所述閥座采用相同的基體材質。10. 根據(jù)權利要求9所述的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,其特征在于,所述 球體和所述閥座的基體材質選用不銹鋼。
【專利摘要】本發(fā)明屬于金屬表面硬化處理技術領域。為了解決硬密封球閥密封副在采用常規(guī)表面硬化處理后,無法同時滿足硬度、耐磨性和耐蝕性的問題,本發(fā)明提出了一種全新的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法。該方法首先對球體和閥座進行噴焊鎳基合金的表面硬化處理,形成硬度為550~750HV的硬化層;然后對完成噴焊鎳基合金的球體和閥座進行物理氣相沉積的表面硬化處理,使所述球體和所述閥座的最終表面硬度達到1400~1800HV。通過采用本發(fā)明的硬密封球閥密封副的表面硬化處理方法,使閥體和閥座的配合表面形成一層具有耐磨、耐蝕以及高硬度的復合硬化層,從而提高硬密封球閥的使用壽命。
【IPC分類】C23C28/00, C23C14/00, C23C4/06, C23C14/06
【公開號】CN105714292
【申請?zhí)枴緾N201610231094
【發(fā)明人】曹馳, 楊國來, 陳志林, 楊瑞成, 牟鑫斌, 陳冬武, 張銀明, 陳碧碧, 徐樹深
【申請人】溫州蘭理工科技園有限公司, 蘭州理工大學溫州泵閥工程研究院