CN111659988B - 一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，所述高温耐磨阀门类工件包括细长阀杆部和阀头部，所述细长阀杆部具有与密封件滑动密封配合的第一表面；所述阀头部具有与含内孔机座滑动密封配合的第二表面；所述表面强化方法包括以下步骤：(1)在第一表面采用超音速火焰喷涂工艺喷涂金属陶瓷涂层；(2)在第二表面采用等离子堆焊工艺喷焊高温耐磨喷焊层。本发明基于同一工件、不同部位，采用两种工艺等离子堆焊与热喷涂联用，不同工艺之间不受干扰和制约，表面强化处理后的高温耐磨阀门类细长工件具有较高的硬度，各项指标都符合技术要求。

Description

一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法
技术领域
本发明涉及表面工程技术领域，尤其涉及一种有较大细长比的高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法。
背景技术
汽轮机产品中有一大批阀门类耐热耐磨部件。如阀杆(核电用阀杆)、壳体密封面、阀碟、阀座、套筒、衬套类、高温过流部件等。该类部件工作环境温度高(≧500℃)，要求其工作面在工作时具有一定的红硬性，方能保证其耐磨耐高温性能，努力提高零件的使用寿命。堆焊层和喷涂层以及基材表面无夹杂、未熔透、裂纹、气孔、缺肉等缺陷存在，硬度、化学成分符合技术要求；喷涂层的结合强度、孔隙率、厚度等也均要符合技术要求。
等离子弧粉末喷焊在汽轮机行业热部件强化上的应用已有多年非常成熟。相比较手工堆焊、氩弧焊堆焊等具有组织均匀、少缺陷、成型规整平滑、热影响区小、高效节材等优势。但是，对部分特殊结构的，有较大细长比的阀门类高温耐磨工件，既具有细长比大，直径偏小长细杆的结构，又同时带有主要工作功能形状特殊的阀头，不仅要在细长杆部位(轴径不大于Φ15mm)采用HVOF喷涂工艺喷涂耐高温高耐磨的金属陶瓷材料，更要在H型结构盘形外圆表面采用等离子弧粉末喷焊工艺堆焊出焊层宽不大于7mm(加工后)，焊高6mm(加工后≧4mm)的堆焊层)。均具有相当大的技术难度少有先例。
中国专利文献上公开了“一种热喷涂与堆焊复合处理方法及产品”，申请公布号为CN1793423A，该专利首先在基材表面堆焊过渡层，然后在堆焊过渡层表面喷涂热喷涂涂层，解决了涂层与基体性能不匹配的技术问题。但是，该发明的工艺不适合细长比大、直径小的阀门类耐热耐磨部件的加工。该专利是在同一部位，采用先堆焊过渡层，达到更好的与后续喷涂层性能匹配或利用堆焊修复工件公差尺寸的目的。
发明内容
本发明为了克服现有阀门类高温耐磨细长工件采用整体加工工艺，效率低、质量差、难以达到产品设计要求的问题，提供了一种基于同一工件、不同部位，等离子堆焊与热喷涂联用的高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，所述高温耐磨阀门类工件包括细长阀杆部和阀头部，所述细长阀杆部具有与密封件滑动密封配合的第一表面；所述阀头部具有与含内孔机座滑动密封配合的第二表面；
所述表面强化方法包括以下步骤：
(1)在第一表面采用超音速火焰喷涂工艺(HVOF)喷涂金属陶瓷涂层；
(2)在第二表面采用等离子堆焊工艺(PTA)喷焊高温耐磨喷焊层。阀头部的密封面采用PTA喷焊高温耐磨焊层，替代了司太立合金整体铸造后加工后镶嵌和手工堆焊落后工艺，既避免了耗材多、工时大、废品率高等弊病、也大大提高了阀头密封面物化性能、使用寿命、降低了部件运行后的故障率。满足了目前核电阀杆阀头密封面实现司太立合金制造密封面的技术难题。
本发明所述高温耐磨阀门类细长工件是一种带细长杆部分形状结构复杂的阀门类工件，其中阀头部具有与机座有内孔的工作结构配合的滑动密封，细长阀杆部位有和密封件滑动配合的支撑定位作用，两种密封结构的表面性能要求完全不同。本发明的表面强化方法避免了两种不同的强化工艺相互间的干扰和制约，获得完全符合技术指标、高质量性能的表面强化层，批量制造出并交付出满足客户严格要求的产品。
作为优选，所述细长阀杆部的直径≤15mm。
作为优选，所述高温耐磨阀门类细长工件的细长比为25：1。
作为优选，所述阀头部的截面为H型结构，所述阀头部的两端具有圆盘状结构，中部具有凹形的过流空腔。
作为优选，所述圆盘状结构厚度为6～7mm，直径为50mm，所述过流空腔的内径为15mm。
本发明的特点是在一种特殊结构和两种不同的工艺要求在同一个工件上制备材料和密封面功能完全相异的，实施技术难度大的涂层和焊层。焊层是窄焊宽大焊高，要求高耐温高耐磨的高温合金焊层，涂层是要求在细长比大，挠度变形要小的部位喷涂高温耐磨金属陶瓷材料。前者经过高温预热、堆焊、焊后热处理等极易引起工件变形的过程，需要先加工出预制形状的堆焊毛坯，热处理后再加工到要求的几何形状和精度。细长杆部位则需要加工到预留的公差尺寸，对超细轴径杆件表面采用HVOF实施喷涂后对涂层磨削加工到规定精度尺寸。
工艺流程的设计、特殊的工件形状预置、工艺参数的选择、以及特殊工装夹具的使用，目的在于避免两种工艺实施中的明显存在的相互干扰制约，进一步保证两种技术条件完全不同、在同一个细长杆状和特殊结构工件不同部位的实施，最终获得满意的结果。
采用本发明技术，先预置喷焊部位的毛坯形貌和坡口，改常规的凸焊为槽内焊，既保证了焊厚、成型规整平滑，又避免了对密封面焊层的合金成份的冲淡率和流淌流挂，焊层的保温效果好避免了焊层的裂纹和缺陷。然后对预置的坯件做高温热处理，再加工到预留的尺寸精度，做到焊层的成分、硬度以及冲淡率符合规定指标，避免了整体工件的变形和加工精度，也不影响后续的喷涂工艺实施。
本发明技术适用于所述高温耐磨阀门类细长工件的下列基材：12Cr2Mo、1Crl2Mo、25Cr2Mo1等马氏体不锈钢等和其他合金不锈钢钢。等离子堆焊工艺(PTA)喷焊的阀头部可以根据阀头阀杆的功能和结构类型在以下几类部位实施：a、外圆：阀杆、管类和其他圆柱型工件外圆；b、内孔：≧Φ40mm套管内壁等；c、圆环形端面、斜坡口类零件，曲面和其他平面：阀碟、阀座类等。
作为优选，步骤(1)中，所述金属陶瓷涂层为CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层；所述金属陶瓷涂层的显微硬度HV0.1≧HV750，结合强度≥70MPa，孔隙率≦3％。
作为优选，步骤(2)中，所述高温耐磨喷焊层由以下质量百分含量的组分组成：C1.15～1.4％，Cr 29～30％，Fe 3.5～4.0％，Mn 0.10～0.11％，Mo 0.13～0.15％，Ni 1.5～1.9％，Si 1.20～1.32％，W 3.84～3.86％，Co余量。
在阀头H型盘型结构外缘必须采用和基体材料不同高温耐磨性能更高的合金材料堆焊成密封面。传统的工艺是把这类高温耐磨材料整体铸造加工成密封环毛坯，然后再把密封环镶嵌焊接到阀头上。既费时费工也费材料，质量也难以保证。
作为优选，步骤(2)中，所述高温耐磨喷焊层的初始堆焊厚度≧6mm；所述高温耐磨喷焊层的厚度为4mm；所述高温耐磨喷焊层与第二表面的宽度相同；所述高温耐磨喷焊层的硬度为42～45.5HRC。
作为优选，步骤(2)中，在采用等离子堆焊工艺喷焊之前，先对阀头部进行与热处理，预热温度500～600℃，预热时间1～2h；等离子堆焊的工艺条件为：喷焊方式为平焊，给进速度65～70mm/min，摆幅14～16mm；单道焊宽22mm，两道间有重叠；喷焊高温耐磨焊层之后，将高温耐磨焊层于620～640℃高温回火1.5～2h，高温回火的目的是消除应力，细化晶粒，母材热影响区组织转变为回火索氏体以恢复原有机械强度。
作为优选，步骤(1)中，超音速火焰喷涂的工艺条件为：喷涂距离250～275mm，线速度1450～1600mm/s；送粉量60g/min；喷枪参数：空气135～145L/min，氧气60～65L/min，丙烷60～65L/min，送粉气125～130L/min。
根据原有的工艺设计和拟采用的工艺方法，在超细杆部位采用超音速火焰喷涂CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层，对轴径较大的杆件加工比较成熟，对这类超细杆的加工缺乏成功的经验，存在涂层缺陷多，可靠性差、合格率低等问题；本发明通过针对细长杆件喷涂工艺，采取特殊的夹持方式、选择较高的喷涂线速度和喷枪移动速度、喷涂的各项参数和重叠喷涂道数，制备出平整致密，结合力合格的涂层。
因此，本发明具有如下有益效果：在同一工件、不同部位，采用等离子堆焊与热喷涂并用的表面强化方法处理带有复杂结构阀头和高温耐磨细长阀杆件的表面强化，可以在多处需要强化处理的部位，分别采用等离子弧喷焊和热喷涂工艺实施加工，可对多处部位(≥2)实施加工而不受干扰和制约，确保产品高性能高质量，工艺上具有独创性和领先性，在超细杆件上用超音速火焰喷涂CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层突破了目前常规的喷涂技术水平，突破了技术难题。
附图说明
图1是实施例1中调节阀的结构示意图：细长阀杆部1，H型结构阀头部2。
图2是实施例1中的金属陶瓷涂层的低倍金相检测图。
图3是实施例1中的金属陶瓷涂层的高倍金相检测图。
图4是实施例1中的金属陶瓷涂层的杯突试验结果图。
图5是实施例1中的金属陶瓷涂层的杯突试验结果俯视图。
图6是实施例1中的喷涂有金属陶瓷涂层的阀杆涂层结合强度拉伸强度的试样图。
图7是实施例1中δ25的高温耐磨焊层的低倍金相检测图。
图8是实施例1中δ10的高温耐磨焊层的低倍金相检测图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在本发明中，若非特指，所有设备和原料均可从市场购得或是本行业常用的，下述实施例中的方法，如无特别说明，均为本领域常规方法。
实施例1
如图1所示，一种调节阀，包括细长阀杆部1和H型结构阀头部2，细长阀杆部具有与密封件滑动密封配合的第一表面；H型结构阀头部阀头部具有与含内孔机座滑动密封配合的第二表面，阀头部的两端具有圆盘状结构，中部具有凹形的过流空腔；圆盘状结构厚度为6～7mm，直径为50mm，所述过流空腔的内径为15mm；该调节阀的细长比为25：1，最小直径为15mm。
调节阀的表面强化方法包括以下步骤：
(1)在第一表面采用超音速火焰喷涂工艺喷涂金属陶瓷涂层；
采用超音速火焰喷涂工艺喷涂CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层：喷涂距离260mm，线速度1500mm/s；送粉量60g/min；喷枪参数：空气140L/min，氧气62L/min，丙烷63L/min，送粉气128L/min；细长阀杆部的金属陶瓷涂层直径Φ14.75mm，长度200mm，厚度为250μm。
(2)在第二表面采用等离子堆焊工艺喷焊高温耐磨喷焊层：
首先将H型结构阀头部进行500℃焊前1.5h预热处理，然后在在第二表面采用等离子堆焊工艺喷焊高温耐磨焊层：喷焊方式为环形平焊，给进速度65mm/min，摆幅16mm；单道焊宽16mm，两道间有重叠，最终形成规定高度6mm的高温耐磨焊层；最后将高温耐磨焊层于630℃高温回火1.8h。高温耐磨喷焊层的堆焊高度达6mm，加工后厚度为4mm，初始堆焊厚度≧6mm；高温耐磨喷焊层的厚度为4mm；所述高温耐磨喷焊层与第二表面的宽度相同，为6～7mm。
对调节阀表面强化处理后形成的金属陶瓷涂层的理化性质做检测，检测结果如下：
1)外观：目视检查，涂层色泽均匀无色差，表面均匀致密。无颗粒、孔隙、凸起、开裂等缺陷；
2)金相检测通过机械工业表面覆盖层产品质量监督检测中心检验报告2018检字JC05039-1，检测结果如图2。参照图2，涂层厚度实测为187.56μm；取样在x100显微镜视野里多部位检视，未发现可见的裂纹、夹杂和颗粒存在；基体和涂层之间界面未发现未熔化的颗粒夹杂。
3)涂层孔隙率检测：使用DM18-C莱卡金相显微镜和随机附带的软件，测定X500金相成像(图3)的孔隙率约为1.0％。
4)显微硬度测定：使用MVD-1000JMT2显微硬度计测定，显微硬度HV0.3测定结果分别为964，硬度范围符合技术要求规定的指标值(大于HV0.3 750)。
5)杯突试验：机械工业表面覆盖层产品质量监督检测中心检验报告2018检字JC05039-2，试片为60×60×1.2mm，喷涂后做杯突试验，其试验参数如下：
压入钢球：Φ20.0钢球；
压入深度：7.6mm(承载座直径：Φ32.0mm)；
压入速度：10mm/分；
试验机：26/113杯突试验机；
实验结果如图4和图5所示：压入7.6mm后，涂层出现龟裂，未见涂层剥落。
6)按照ASTM C633-2013标准规定预制抗拉试样，采用DF3000超音速火焰喷涂制备的涂层厚度为220μm。试样母材为：25Cr2MoVA。然后用高强度胶粘接固化，在CMT5105型电子万能试验机上进行拉伸试验，结果如表1所示：
表1.拉伸试验结果
Figure BDA0002496243980000061
7)涂层渗透探伤检测：经自检检测，焊层均未发现以上缺陷存在，结论为“合格”。
对调节阀表面强化处理后形成的高温耐磨焊层的理化性质检测，检测结果如下
1)焊层渗透探伤：依据的标准：JB/T4730.5-2005，没有裂纹、夹杂、气未熔透等缺陷；
2)焊层的化学成分：检测仪器设备名称及型号:SPECTROMAXxLMM15固定式金属分析光谱仪，结果如表2所示：
表2.焊后高温回火热处理后测得的高温耐磨焊层的化学成分
Figure BDA0002496243980000062
注：δ25为150*150*25mm高温耐磨焊层；δ10为150*150*10mm高温耐磨焊层；
以上焊层化学成分分析值是在堆焊层加工到厚度略小于3mm后在堆焊层表面测试所得。
焊后光坯机加工后经600℃，5h去应力高温回火后测得的焊层化学成分(以δ25试样作对照)，结果如表3所示：
表3.不同回火处理时间的高温耐磨焊层的化学成分
Figure BDA0002496243980000063
由表3可见，增加5h高温回火热处理后，焊层的化学成分无明显改变。
3)焊层硬度(HRC)：检测依据GB/T226-2015、GB/T230.1-2009标准施行。使用设备：150型洛氏硬度计；结果如表4所示：
表4.焊层硬度检测结果
Figure BDA0002496243980000071
焊后光坯机加工后经600℃，5h去应力高温回火后测得的焊层硬度值(以δ10试样、δ25试样和同炉Φ50试样作对照)。结果如5所示：
表5.焊层硬度检测结果
Figure BDA0002496243980000072
可见，增加5h高温回火热处理后，高温耐磨焊层的硬度无明显改变。
4)低倍金相检测：检测依据GB/T226-2015、GB/T230.1-2009标准施行。使用设备：EZ4HD体视显微镜，视场倍数X10，结果如图7和图8所示：堆焊层低倍组织无肉眼可见的裂纹、夹杂及未熔合，焊缝熔合线清晰平整。
按照ASMEBPVC.IX-2015焊接、钎接和粘接评定标准(中文版)要求，在规定使用试样上(母材25Cr2MoVA)对等离子弧粉末喷焊Stellite 6合金焊层做工艺评定。从评定结果看，所采用的技术路线、执行的工艺规范均可有效保证阀头堆焊的质量要求。焊层成型规整均匀，无任何缺陷。热影响区窄，冲淡率极低。焊层的化学成分偏析率极低，元素烧损少。硬度均匀性好且很好的达到技术指标的要求。
说明：工件的焊层和涂层性能各项指标均对固定了工艺参数的工艺评定试样取样检测。实际工件的性能指标只做无损检测和留交同炉试样备查。
等离子喷焊工艺评定按照ASMEBPVC.IX-2015焊接、钎接和粘接评定标准(中文版)要求，工艺评定记录(PGR)和制定的工艺规程(WPS)均按照该标准执行，进行了工艺评定；超音速火焰喷涂工艺评定依据技术协议规定的首件验收技术指标，进行了工艺评定。工艺评定产生了该产品的《工艺评定试验报告》以及《喷焊工艺规程(WPS)》、《喷焊工艺评定记录(PRQ)》。工艺评定和工艺规范严格规范，工件的各项指标都符合技术要求，已经成功的批量试生产合格产品并交付到装机使用。
实施例2
一种调节阀，包括细长阀杆部和阀头部，细长阀杆部具有与密封件滑动密封配合的第一表面；阀头部具有与含内孔机座滑动密封配合的第二表面，阀头部的两端具有圆盘状结构，中部具有凹形的过流空腔；圆盘状结构厚度为6～7mm，直径为50mm，所述过流空腔的内径为15mm；该调节阀的细长比为25：1，最小直径为15mm。
(1)采取搽拭法分别清除第一表面和第二表面的尘污杂物；
(2)在第一表面采用超音速火焰喷涂工艺喷涂CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层：喷涂距离250mm，线速度1450mm/s；送粉量60g/min；喷枪参数：空气135L/min，氧气60L/min，丙烷65L/min，送粉气130L/min；
(3)先将阀头部于600℃预热1h，然后在在第二表面采用等离子堆焊工艺喷焊高温耐磨焊层：喷焊方式为平焊，给进速度65mm/min，摆幅16mm；单道焊宽22mm，两道间有重叠，形成规定宽度40mm的高温耐磨焊层；最后将高温耐磨焊层于620℃高温回火2h；高温耐磨焊层由以下质量百分含量的组分组成：C 1.15％，Cr 29％，Fe 4.0％，Mn 0.10％，Mo 0.13％，Ni 1.9％，Si 1.20％，W 3.86％，Co余量。
实施例3
一种调节阀，包括细长阀杆部和阀头部，细长阀杆部具有与密封件滑动密封配合的第一表面；阀头部具有与含内孔机座滑动密封配合的第二表面，阀头部的两端具有圆盘状结构，中部具有凹形的过流空腔；圆盘状结构厚度为6～7mm，直径为50mm，所述过流空腔的内径为15mm；该调节阀的细长比为25：1，最小直径为15mm。
(1)采取搽拭法分别清除第一表面和第二表面的尘污杂物；
(2)在第一表面采用超音速火焰喷涂工艺喷涂CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层：喷涂距离275mm，线速度1600mm/s；送粉量60g/min；喷枪参数：空气145L/min，氧气65L/min，丙烷60L/min，送粉气125L/min；
(3)先将阀头部于550℃预热0.5h，然后在在第二表面表面采用等离子堆焊工艺喷焊高温耐磨焊层：喷焊方式为平焊，给进速度70mm/min，摆幅14mm；单道焊宽22mm，两道间有重叠，形成规定宽度40mm的高温耐磨焊层；最后将高温耐磨焊层于640℃高温回火1.5h；高温耐磨焊层由以下质量百分含量的组分组成：C 1.4％，Cr 30％，Fe 3.5％，Mn0.11％，Mo0.15％，Ni 1.5％，Si 1.32％，W 3.84％，Co余量。
实施例2和实施例3的高温耐磨阀门类细长工件的检测结果与实施例1相当，在此不再赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (10)

1.一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，所述高温耐磨阀门类工件包括细长阀杆部和阀头部，所述细长阀杆部具有与密封件滑动密封配合的第一表面；所述阀头部具有与含内孔机座滑动密封配合的第二表面；
所述表面强化方法包括以下步骤：
(1)在第一表面采用超音速火焰喷涂工艺喷涂金属陶瓷涂层；
(2)在第二表面采用等离子堆焊工艺喷焊高温耐磨喷焊层。
2.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，所述细长阀杆部的直径≤15mm。
3.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，所述高温耐磨阀门类细长工件的细长比为25：1。
4.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，所述阀头部的截面为H型结构，所述阀头部的两端具有圆盘状结构，中部具有凹形的过流空腔。
5.根据权利要求4所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，所述圆盘状结构厚度为6～7mm，直径为50mm，所述过流空腔的内径为15mm。
6.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，步骤(1)中，所述金属陶瓷涂层为CrC75-CrNi25金属陶瓷涂层；所述金属陶瓷涂层的显微硬度HV0.1≧HV750，结合强度≥70MPa，孔隙率≦3％。
7.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温耐磨喷焊层由以下质量百分含量的组分组成：C 1.15～1.4％，Cr 29～30％，Fe 3.5～4.0％，Mn 0.10～0.11％，Mo 0.13～0.15％，Ni 1.5～1.9％，Si 1.20～1.32％，W 3.84～3.86％，Co余量。
8.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，步骤(2)中，所述高温耐磨喷焊层的初始堆焊厚度≧6mm；所述高温耐磨喷焊层的厚度为4mm；所述高温耐磨喷焊层与第二表面的宽度相同；所述高温耐磨喷焊层的硬度为42～45.5HRC。
9.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，步骤(2)中，在采用等离子堆焊工艺喷焊之前，先对阀头部进行与热处理，预热温度500～600℃，预热时间1～2h；等离子堆焊的工艺条件为：喷焊方式为平焊，给进速度65～70mm/min，摆幅14～16mm；单道焊宽22mm，两道间有重叠；喷焊高温耐磨焊层之后，将高温耐磨焊层于620～640℃高温回火1.5～2h。
10.根据权利要求1所述的一种高温耐磨阀门类细长工件的表面强化方法，其特征在于，步骤(1)中，超音速火焰喷涂的工艺条件为：喷涂距离250～275mm，线速度1450～1600mm/s；送粉量60g/min；喷枪参数：空气135～145L/min，氧气60～65L/min，丙烷60～65L/min，送粉气125～130L/min。
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