CN107201495B - 一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法 - Google Patents
一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，其制备方法包括以下步骤：S1，将阀体及阀座摆放在耐热钢罐中，然后用含硼元素的粉体介质将阀球及阀座完全覆盖；S2，将装有零件和粉体介质的渗罐置于真空气氛加热炉中；S3，将加热炉预抽真空，然后通入氮气；S4，将加热炉升温至800～950℃保持5～10h，使粉体介质受热分解出活性硼原子，活性硼原子在此温度下经扩散渗入不锈钢表面形成硬质硼化物层。本发明制得的硼化物硬质合金覆层，系由Fe2B和少量Ni2B组成，由于Fe2B和Ni2B具有相同的体心四方结构，因此它们可以互溶形成单相固溶体，这种单相硼化物层韧性好，且与不锈钢基体结合牢固，具有很高的抗剥落性能和抗疲劳强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种高耐磨硼化物覆层制备方法，具体为一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法。
背景技术
在工业自动化过程控制的管道流体控制中，阀门作为一种用来实现管路系统通断及流量控制的部件，已在石油、化工、冶金等众多领域中得到广泛地应用。在火力发电厂、石油化工、煤化工等领域的高粘性流体、带粉尘及固体颗粒物的混合流体、强腐蚀流体等介质中，阀门密封面需要采用金属硬密封，以解决在恶劣工况下阀门易磨损、频繁更换的问题。
金属硬密封阀门的阀体和阀座材料一般都选择不锈钢这类耐腐蚀材料，否则密封面容易被介质腐蚀，发生硬化层脱落，影响球阀寿命。另外针对不同的阀体及阀座材料，密封面的硬化工艺以及表面硬度，则决定了密封的可靠性和使用寿命。
目前市场上已知的阀门技术中，硬密封的硬化工艺主要有以下几种：
(1)表面堆焊硬质合金，硬度可达60HRC以上。但堆焊层凸凹不平严重，后续研磨加工困难，生产效率低，且大面积堆焊易使零件产生变形，目前此工艺使用较少。
(2)表面镀硬铬，硬度可达40～55HRC，厚度0.07～0.10mm。镀铬层硬度较高、耐磨、耐蚀并易于研磨抛光，工艺相对简单，成本较低。但硬铬镀层的硬度在温度升高时会因其内应力的释放而迅速降低，其工作温度不能高于430℃。另外镀铬层与基材结合力低，易发生脱落。
(3)表面渗氮，普通渗氮处理后表面硬度可达50～60HRC，渗氮层厚度0.20～0.40mm，渗氮硬化工艺由于耐腐蚀性较差，不能在化工强腐蚀等领域使用。低温渗氮处理的不锈钢球阀，表面硬度可达60～70HRC，耐腐蚀性保持不变，但渗氮层厚度只有0.02～0.05mm，不能满足抗磨粒磨损的工况要求。
(4)表面热喷涂及喷焊工艺，硬度可达60～70HRC，与基体结合强度较高。但热喷涂或喷焊后的表面粗糙度较差，后续研磨处理工艺难度大，成本高。
上述各种硬化工艺方法处理的不锈钢阀门硬密封面，硬度最高也很难达到72HRC，在含高硬度固体颗粒物的流体介质环境下，现有硬化工艺仍然无法满足阀门的抗磨粒磨损和抗冲蚀需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是市场上现有的硬化工艺方法处理的不锈钢阀门硬密封面，硬度最高也很难达到72HRC，在含高硬度固体颗粒物的流体介质环境下，现有硬化工艺仍然无法满足阀门的抗磨粒磨损和抗冲蚀需求的缺陷，提供一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，从而解决上述问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，所述硼化物硬质合金覆层是采用扩散渗透法制备，其制备方法包括以下步骤：
S1，将阀体及阀座摆放在耐热钢罐中，然后用含硼元素的粉体介质将阀球及阀座完全覆盖；
S2，将装有零件和粉体介质的渗罐置于真空气氛加热炉中；
S3，将加热炉预抽真空，然后通入氮气；
S4，将加热炉升温至800～950℃保持5～10h，使粉体介质受热分解出活性硼原子，活性硼原子在此温度下经扩散渗入不锈钢表面形成硬质硼化物层；
所述S1步骤中的硼元素的粉体介质由供硼剂、活化剂和填充剂组成，其配比为(质量百分比wt.％)：2～25％供硼剂+1～10％活化剂+65～90％填充剂；
所述供硼剂可选用碳化硼、非晶硼及硼铁粉，通常选用其中的一种即可，活化剂选用氟化铝或氟化镁，它们可以单独使用或者组合在一起使用。所述的填充剂系由碳化硅与金属镍粉或镍铁合金粉混合组成；
所述S4步骤中制得的硬质硼化物层，系由Fe2B和少量Ni2B组成，由于Fe2B和Ni2B具有相同的体心四方结构，因此它们可以互溶形成单相固溶体，这种单相硼化物层韧性好，且与不锈钢基体结合牢固，具有很高的抗剥落性能和抗疲劳强度。
进一步的，所述S1步骤中的阀体可以为316L的不锈钢阀球和阀座、用于石化催化裂解再生器加料系统的球阀或时效硬化不锈钢PH17-7的阀球和阀座。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，制得的硼化物硬质合金覆层，系由Fe2B和少量Ni2B组成，由于Fe2B和Ni2B具有相同的体心四方结构，因此它们可以互溶形成单相固溶体，这种单相硼化物层韧性好，且与不锈钢基体结合牢固，具有很高的抗剥落性能和抗疲劳强度。这样制得的硼化物覆层硬度为2000～2800HV(81～86HRC)，硬化层厚度20～150μm，可大幅度地提高不锈钢阀门的抗磨粒磨损和抗冲蚀能力。此外，本发明制备的硼化物硬质合金覆层在850℃的高温下仍然能保持其原有特性，因此可显著提高不锈钢阀门部件在高温工况下的抗磨损和抗腐蚀能力。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明提供一种技术方案：一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，硼化物硬质合金覆层是采用扩散渗透法制备，材质为316L的不锈钢阀球和阀座，按以下步骤进行表面硼化物覆层处理：
(1)配料：将组分(质量百分比)为2.5％B4C+5％AlF3+20％Ni+72.5％SiC的粉体在混料机中混合均匀。
(2)装罐：将阀球和阀座摆放在渗罐中，零件相互间留出10mm间隙。然后用混合好的粉体将阀球和阀座完全覆盖，随后移入保护气氛加热炉中。
(2)表面硼化：将加热炉升温至200℃并抽真空至炉内压力为-0.1Mpa，随后通入氮气使炉内压力升至0.02Mpa，然后将炉温升至850±5℃，并在此温度下保持6小时对阀球和阀座进行硼化扩散渗覆处理。
经过上述步骤渗覆后，在阀球和阀座表面得到银灰色的硼化合物硬质合金覆层。经检测硬化层厚度为30～50μm，硬化层硬度为2500HV0.5(85HRC)。经压力0.3Mpa、介质为100目的棕刚玉喷砂试验，覆层无剥落现象。
实施例2
本发明提供一种技术方案：一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，硼化物硬质合金覆层是采用扩散渗透法制备，用于石化催化裂解再生器加料系统的球阀，按以下步骤进行表面硼化物覆层处理：
系统中气体介质压力大于3.5KPa,气体流速25～35m/s，气流中含有催化剂氧化铝(Al2O3)颗粒，原工艺在密封面堆焊司太立合金，堆焊后密封面硬度48～52HRC，低于Al2O3颗粒的硬度，使用寿命只有1个月。后将阀球和阀座材质选为镍基合金Inconel718，采用本发明工艺对阀球和阀座整体进行硼化物硬质合金覆层处理。所用组分(重量百分比)为25％FeB20+5％AlF3+10％FeNi60+60％SiC的粉末介质，其中硼铁粉FeB20中硼的含量约20﹪，镍铁粉FeNi60中镍的含量约60﹪。按实施例1所描述的工艺步骤在900±5℃保持10小时进行硼化扩散渗透。处理后阀球和阀座外表呈银白色，密封面粗糙度为Ra0.3～0.4，经手工轻微研磨后即可满足密封要求，粗糙度可达到Ra0.03～0.05。经检测硬化层厚度约120μm，表面硬度2850HV0.1(约86HRC)。经上述工艺处理后，球阀使用寿命延长至1年半无需更换。
实施例3
本发明提供一种技术方案：一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，本发明提供的方法应用在工业化批量生产中，粉体介质(商品名称为硼化剂)可以重复使用以降低成本并减少固体废物排放。一般使用旧硼化剂为基料，在此基础上添加一定比例的新硼化剂，每次根据所需硼化剂总量补加10％新硼化剂，同时加入5％比例的活化剂，对材料为时效硬化不锈钢PH17-7的阀球和阀座进行硼化物覆层处理，渗剂配料按以下配比：
85kg旧硼化剂+10kg新硼化剂+5kg AlF3，其中新硼化剂按实施例1中的配料比例配制，并按实施例1所述工艺步骤在880℃扩散渗覆处理8小时。处理后阀球及阀座的表面硬度平均为2500～2700HV0.1，密封面经研磨后粗糙度可达Ra0.04的镜面效果，尺寸变形公差在图纸要求的公差范围内。
本发明的有益效果是：该种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，制得的硼化物硬质合金覆层，系由Fe2B和少量Ni2B组成，由于Fe2B和Ni2B具有相同的体心四方结构，因此它们可以互溶形成单相固溶体，这种单相硼化物层韧性好，且与不锈钢基体结合牢固，具有很高的抗剥落性能和抗疲劳强度。这样制得的硼化物覆层硬度为2000～2800HV(81～86HRC)，硬化层厚度20～150μm，可大幅度地提高不锈钢阀门的抗磨粒磨损和抗冲蚀能力。此外，本发明制备的硼化物硬质合金覆层在850℃的高温下仍然能保持其原有特性，因此可显著提高不锈钢阀门部件在高温工况下的抗磨损和抗腐蚀能力。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，其特征在于，所述硼化物硬质合金覆层是采用扩散渗透法制备，其制备方法包括以下步骤：
S1，将阀体及阀座摆放在耐热钢罐中，然后用含硼元素的粉体介质将阀球及阀座完全覆盖；
S2，将装有零件和粉体介质的渗罐置于真空气氛加热炉中；
S3，将加热炉预抽真空，然后通入氮气；
S4，将加热炉升温至800～950℃保持5～10h，使粉体介质受热分解出活性硼原子，活性硼原子在此温度下经扩散渗入不锈钢表面形成硬质硼化物层；
所述S1步骤中的硼元素的粉体介质由供硼剂、活化剂和填充剂组成，其配比为(质量百分比wt.％)：2～25％供硼剂+1～10％活化剂+65～90％填充剂；
所述供硼剂可选用碳化硼、非晶硼及硼铁粉，通常选用其中的一种即可，活化剂选用氟化铝或氟化镁，它们可以单独使用或者组合在一起使用； 所述的填充剂系由碳化硅与金属镍粉或镍铁合金粉混合组成；
所述S4步骤中制得的硬质硼化物层，系由Fe2B和少量Ni2B组成，由于Fe2B和Ni2B具有相同的体心四方结构，因此它们可以互溶形成单相固溶体，这种单相硼化物层韧性好，且与不锈钢基体结合牢固，具有很高的抗剥落性能和抗疲劳强度。
2.根据权利要求1所述的一种用于硬密封阀门密封面的高耐磨硼化物覆层制备方法，其特征在于，所述S1步骤中的阀体可以为316L的不锈钢阀球和阀座、用于石化催化裂解再生器加料系统的球阀或时效硬化不锈钢PH17-7的阀球和阀座。
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