金屬密封球閥硬化工藝概述
日期：2021/05/11
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1 概述
在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)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(zhì)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(zhì)合金，硬度可達40HRC以上，球體表面堆焊硬質(zhì)合金工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且大面積堆焊易使零件產(chǎn)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(nèi)應(yīng)力的釋放而迅速，其工作溫度不能高于427℃。另外鍍鉻層結(jié)合力低，鍍層易發(fā)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(lǐng)域使用。
（4）球體表面超音速噴涂（HVOF）工藝，硬度高可達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(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)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(zhì)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(chǎn)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(jié)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，是音速的2～3倍，氣流速度是音速的4倍。
HVOF是一種新的加，噴涂厚度0.3～0.4mm，涂層與工件之間是機械結(jié)合，結(jié)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(qū)，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(tài)后，依靠氣流將其噴射，沉積到預(yù)先處理過的工件表面上，形成一層與工件表面（基材）結(jié)合牢固的涂（焊）層。
噴焊和堆焊硬化工藝中硬質(zhì)合金與基體均具有熔融過程，硬質(zhì)合金與基體集合處有熱融區(qū)，為達到噴焊或堆焊硬質(zhì)合金層性能，避免加工后焊接熱融區(qū)為金屬接觸面，建議噴焊或堆焊硬質(zhì)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(fā)生咬死現(xiàn)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。由于球體加工復(fù)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廣范的硬度配合，能滿足金屬硬密封球閥常規(guī)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(lǐng)域，具有較高的耐磨性和使用。
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(fā)生咬死，但目前國內(nèi)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(zhì)合金與閥座（或閥球）結(jié)合層容易被介質(zhì)腐蝕，發(fā)生硬質(zhì)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(yīng)選擇合適的硬化工藝，在煤化工領(lǐng)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(jié)構(gòu)的鋼種，鐵素體和奧氏體組織結(jié)構(gòu)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(dāng)溫度在400～500℃范圍內(nèi)，長時間保溫會產(chǎn)生強烈的脆化，這種現(xiàn)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(zhì)合金工藝方法，該工藝硬質(zhì)合金和基體發(fā)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(zhì)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(chǎn)生破壞。
5 結(jié)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和使用性能，合理的硬化工藝能制造成本。隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，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復(fù)雜的問題，因此在對硬密封閥門設(shè)計、材料選擇、硬化工藝和硬度配合，應(yīng)給予的重視。
在火力發(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)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(zhì)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(zhì)合金，硬度可達40HRC以上，球體表面堆焊硬質(zhì)合金工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低，且大面積堆焊易使零件產(chǎn)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(nèi)應(yīng)力的釋放而迅速，其工作溫度不能高于427℃。另外鍍鉻層結(jié)合力低，鍍層易發(fā)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(lǐng)域使用。
（4）球體表面超音速噴涂（HVOF）工藝，硬度高可達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(fā)電廠、石油化工系統(tǒng)、煤化工領(lǐng)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(zhì)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(chǎn)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(jié)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，是音速的2～3倍，氣流速度是音速的4倍。
HVOF是一種新的加，噴涂厚度0.3～0.4mm，涂層與工件之間是機械結(jié)合，結(jié)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(qū)，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(tài)后，依靠氣流將其噴射，沉積到預(yù)先處理過的工件表面上，形成一層與工件表面（基材）結(jié)合牢固的涂（焊）層。
噴焊和堆焊硬化工藝中硬質(zhì)合金與基體均具有熔融過程，硬質(zhì)合金與基體集合處有熱融區(qū)，為達到噴焊或堆焊硬質(zhì)合金層性能，避免加工后焊接熱融區(qū)為金屬接觸面，建議噴焊或堆焊硬質(zhì)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(fā)生咬死現(xiàn)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。由于球體加工復(fù)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廣范的硬度配合，能滿足金屬硬密封球閥常規(guī)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(lǐng)域，具有較高的耐磨性和使用。
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(fā)生咬死，但目前國內(nèi)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(zhì)合金與閥座（或閥球）結(jié)合層容易被介質(zhì)腐蝕，發(fā)生硬質(zhì)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(yīng)選擇合適的硬化工藝，在煤化工領(lǐng)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(jié)構(gòu)的鋼種，鐵素體和奧氏體組織結(jié)構(gòu)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(dāng)溫度在400～500℃范圍內(nèi)，長時間保溫會產(chǎn)生強烈的脆化，這種現(xiàn)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(zhì)合金工藝方法，該工藝硬質(zhì)合金和基體發(fā)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(zhì)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(chǎn)生破壞。
5 結(jié)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和使用性能，合理的硬化工藝能制造成本。隨著新技術(shù)的不斷出現(xiàn)，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復(fù)雜的問題，因此在對硬密封閥門設(shè)計、材料選擇、硬化工藝和硬度配合，應(yīng)給予的重視。
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