CN111778455A - 一种疏水阀用双金属片及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明针对目前疏水阀用双金属片在服役过程中易变形，寿命短这一问题，设计了一种新的成分，高膨胀层合金成分为Fe‑(14～18wt.％)Cr‑(15～16wt.％)Ni，低膨胀层合金成分为Fe‑(7～9wt.％)Cr‑(8～12wt.％)Co‑(30～32wt.％)Ni，高膨胀层和低膨胀层中间过渡层成分为Fe‑(7～9wt.％)Cr‑(8～10wt.％)Ni，高膨胀层和低膨胀层厚度范围均为0.250‑0.30mm，中间层厚度范围为0.020‑0.025mm，采用上述成分合金制备的双金属片具有更高的应用温度及高的热敏感性和最大负荷应力，加入的过渡层能够缓解高膨胀层和低膨胀层界面处的应力集中，减少服役过程的变形，其服役寿命由目前双金属片的1个月提高到6个月以上。

Description

一种疏水阀用双金属片及制备方法
技术领域
本发明涉及一种疏水阀用双金属片的制备方法，属于金属材料领域。
背景技术
双金属片疏水阀,是蒸汽管路上的一类热静力型疏水阀，它是由两片或两片以上的不同热膨胀系数的合金片复合而成,其工作原理是利用蒸汽与凝结水的温差,改变合金片的弧度,从而带动杆楔,自动控制阀芯的启闭,平时阀芯处于常开位置。由于该阀门其关闭力曲线接近饱和蒸汽曲线,使它具有较高的灵敏度和较低的漏汽量，同时具有不怕水击，耐高压，体积小，重量轻，能自动排空气，任意位置都可安装等优点，被广泛应用于电力、化工、医药等领域的蒸汽主管道。
疏水阀用双金属片的主要性能包括：热敏感性、弹性模量以及应用温度范围。双金属片由主动层和被动层组成，在被动层材料确定的情况下，主动层材料的膨胀系数越高，热双金属片的热敏感性越好。此外双金属片的主动层合金和被动层合金应具有相近的弹性模量，在高温下应具有高的最大负荷应力，保证在使用时，不产生残余变形和永久变形。目前疏水阀用双金属片成分较多，但普遍都存在服役一段时间后(约1个月)即发生变形从而造成密封不严、蒸汽泄漏等问题，因此如何减少双金属片在服役过程中的变形是进一步提高疏水阀可靠性和寿命的关键。
发明内容
本发明基于对现有双金属片在服役过程中的失效分析，设计了一种新的成分，高膨胀层合金成分为Fe-(14～18wt.％)Cr-(15～16wt.％)Ni，低膨胀层合金成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～12wt.％)Co-(30～32wt.％)Ni，高膨胀层和低膨胀层中间过渡层成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～10wt.％)Ni，高膨胀层和低膨胀层厚度均为0.250-0.30mm，中间层厚度为0.02-0.025mm，采用上述成分合金制备的双金属片较现有的合金具有高的热敏感性和最大负荷应力，加入的过渡层能够缓解高膨胀层和低膨胀层界面处的应力集中，减少服役过程的变形，其服役寿命由目前的1个月提高到6个月以上。
一种疏水阀用双金属片，其特征在于：高膨胀层合金的成分为：Fe-(14～18wt.％)Cr-(15～16wt.％)Ni；低膨胀层的成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～12wt.％)Co-(30～32wt.％)Ni；高膨胀层和低膨胀层中间过渡层成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～10wt.％)Ni，高膨胀层和低膨胀层厚度范围为0.25-0.30mm，中间层的厚度范围为0.02-0.025mm，高膨胀层合金晶粒尺寸约为200μm，低膨胀层合金晶粒尺寸约为100μm。
如上所述一种疏水阀用双金属片的制备方法，具体的制造工艺及要求如下：
(1)首先采用真空感应熔炼-热轧-冷轧的工艺制备三种金属片毛坯：对于高膨胀合金层，其真空感应熔炼合金成分为Fe-(14～18wt.％)Cr-(15～16wt.％)Ni，熔炼后浇铸成厚度为20-21mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0-3.1mm，热轧温度为1100-1120℃，再冷轧至0.30-0.31mm的板坯；对于低膨胀合金层，其真空感应熔炼合金成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～12wt.％)Co-(30～32wt.％)Ni，熔炼后浇铸成厚度为30-31mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0-3.1mm，热轧温度为1150-1170℃，再冷轧至0.30-0.31mm的板坯；对于中间过渡合金层，其真空感应熔炼合金成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～10wt.％)Ni，熔炼后浇铸成厚度为20-20.5mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0-3.1mm，热轧温度为1050-1070℃，再冷轧至0.025-0.026mm的板坯；
(2)将三种不同成分的板坯按自上而下为高膨胀合金层-中间过渡层-低膨胀合金层的顺序叠加在一起置于真空热压炉中在一定的温度和压力下进行复合成形，复合过程中三层合金分别进行再结晶，得到需要的晶粒尺寸，另外三层合金在压力的作用下通过中间合金层的扩散而结合在一起形成一个整体，即双金属片原材料。
(3)将得到的双金属片原材料按最终实际需要的尺寸进行冲压成形，得到双金属片成品，按上述工艺得到成品双金属片中高膨胀层和低膨胀层厚度范围为0.25-0.30mm，中间过渡层的厚度范围为0.020-0.025mm，高膨胀层合金平均晶粒尺寸约为200μm，低膨胀层合金平均晶粒尺寸约为100μm。
进一步地，步骤(2)所述复合成形温度为1000-1020℃，加压压力为10-20MPa，时间为30-60min。
本发明的优点在于：(1)通过控制高膨胀层和低膨胀合金中Cr和Ni的含量及比例，并在低膨胀层合金中添加适量的Co，以及控制两层合金的晶粒大小，可使得金属片在室温到600℃范围内的比弯曲率超过15×10-6℃-1，弹性模量175～215GPa，最大负荷应力超过250MPa，这保证双金属片具有高的热敏感性同时具有高的热推力，大的热推力可以减少双金属片在服役过程中的变形，从而大幅度延长其寿命；(2)通过在高膨胀合金层和低膨胀合金中设置过渡层，并通过对过渡层进行成分设计，能够有效降低两层合金在界面处的应力，从而可以避免双金属片在界面处的微变形，可大幅度提高其服役寿命；(3)采用真空热压工艺进行复合可以实现冷轧高膨胀层合金和低膨胀层合金的再结晶和板坯复合的同时进行，有利于进一步提高界面结合强度，精确控制各层的厚度，从而进一步提高双金属片的综合性能。采用本发明工艺制备的双金属片具有优异的综合性能，其最高应用温度较现有金属片的温度提高50℃，服役寿命是现有双金属片寿命的6倍，达到6个月以上。
具体实施方式
实施例1、
制备高膨胀层成分为Fe-14wt.％Cr-15wt.％Ni，低膨胀层成分为Fe-7wt.％Cr-8wt.％Co-30wt.％Ni，服役寿命达到6个月的疏水阀用双金属片
第一步，首先采用真空感应熔炼制备高膨胀层合金锭，其成分为Fe-14wt.％Cr-15wt.％Ni，熔炼后浇铸成厚度为20mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0mm，热轧温度为1100℃，再冷轧至0.30mm；再采用真空感应熔炼制备低膨胀层合金锭，其成分为Fe-7wt.％Cr-8wt.％Co-30wt.％Ni，熔炼后浇铸成厚度为31mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.1mm，热轧温度为1170℃，再冷轧至0.31mm；对于中间过渡合金层其真空感应熔炼合金成分为Fe-7wt.％Cr-8wt.％Ni，熔炼后浇铸成厚度为20.5mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.1mm，热轧温度为1070℃，再冷轧至0.026mm。
第二步，将三种板坯按自上而下为高膨胀合金层-中间过渡层-低膨胀合金层的顺序叠加在一起置于真空热压炉中进行复合成形，其复合温度为1000℃，加压压力为10MPa，时间为30min，得到双金属片原材料。
第三步，将双金属片原材料按最终实际需要的尺寸进行冲压成形，得到双金属片成品，按上述工艺得到成品双金属片中高膨胀层厚度为0.27mm，低膨胀层厚度为0.28mm，中间过渡层的厚度为0.024mm，高膨胀层合金平均晶粒尺寸约为200μm，低膨胀层合金平均晶粒尺寸约为100μm。对双金属片进行性能测试，在室温到600℃范围内的比弯曲率达到15.9×10-6℃-1，弹性模量超过175GPa，最大负荷应力达到259MPa，装机应用其服役寿命达到6个月18天。
实施例2、
制备高膨胀层成分为Fe-18wt.％Cr-16wt.％Ni，低膨胀层成分为Fe-9wt.％Cr-8wt.％Co-32wt.％Ni，服役寿命达到6个月的疏水阀用双金属片
第一步，首先采用真空感应熔炼制备高膨胀层合金锭，其成分为Fe-18wt.％Cr-16wt.％Ni，熔炼后浇铸成厚度为20mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0mm，热轧温度为1100℃，再冷轧至0.30mm的板坯；对于低膨胀合金层其真空感应熔炼合金成分为Fe-9wt.％Cr-8wt.％Co-32wt.％Ni，熔炼后浇铸成厚度为30mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0mm，热轧温度为1150℃，再冷轧至0.30mm的板坯；对于中间过渡合金层其真空感应熔炼合金成分为Fe-9wt.％Cr-10wt.％Ni，熔炼后浇铸成厚度为20.5mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0mm，热轧温度为1050℃，再冷轧至0.025mm的板坯。
第二步，将三种板坯按自上而下为高膨胀合金层-中间过渡层-低膨胀合金层的顺序叠加在一起置于真空热压炉中进行复合，温度为1020℃，加压压力为20MPa，时间为60min，得到双金属片原材料。
第三步，将得到的双金属片原材料按最终实际需要的尺寸进行冲压成形，得到双金属片成品，按上述工艺得到成品双金属片中高膨胀层的厚度为0.26mm，低膨胀层厚度为0.27mm，中间过渡层的厚度为0.021mm，高膨胀层合金平均晶粒尺寸约为200μm，低膨胀层合金平均晶粒尺寸约为100μm。对双金属片进行性能测试，在室温到600℃范围内的比弯曲率达到15.5×10-6℃-1，弹性模量超过175GPa，最大负荷应力达到255MPa，装机应用其服役寿命达到6个月20天。

Claims (3)

1.一种疏水阀用双金属片，其特征在于：高膨胀层合金的成分为：Fe-(14～18wt.％)Cr-(15～16wt.％)Ni；低膨胀层的成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～12wt.％)Co-(30～32wt.％)Ni；高膨胀层和低膨胀层中间过渡层成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～10wt.％)Ni，高膨胀层和低膨胀层厚度范围为0.25-0.30mm，中间层的厚度范围为0.02-0.025mm，高膨胀层合金晶粒尺寸为200μm，低膨胀层合金晶粒尺寸为100μm。
2.如权利要求1所述一种疏水阀用双金属片的制备方法，其特征在于：具体的制造工艺及要求如下：
(1)首先采用真空感应熔炼-热轧-冷轧的工艺制备三种金属片毛坯：对于高膨胀合金层，其真空感应熔炼合金成分为Fe-(14～18wt.％)Cr-(15～16wt.％)Ni，熔炼后浇铸成厚度为20-21mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0-3.1mm，热轧温度为1100-1120℃，再冷轧至0.30-0.31mm的板坯；对于低膨胀合金层，其真空感应熔炼合金成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～12wt.％)Co-(30～32wt.％)Ni，熔炼后浇铸成厚度为30-31mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0-3.1mm，热轧温度为1150-1170℃，再冷轧至0.30-0.31mm的板坯；对于中间过渡合金层，其真空感应熔炼合金成分为Fe-(7～9wt.％)Cr-(8～10wt.％)Ni，熔炼后浇铸成厚度为20-20.5mm的方形铸锭，然后进行热轧至3.0-3.1mm，热轧温度为1050-1070℃，再冷轧至0.025-0.026mm的板坯；
(2)将三种不同成分的板坯按自上而下为高膨胀合金层-中间过渡层-低膨胀合金层的顺序叠加在一起置于真空热压炉中在一定的温度和压力下进行复合成形，复合过程中三层合金分别进行再结晶，得到需要的晶粒尺寸，另外三层合金在压力的作用下通过中间合金层的扩散而结合在一起形成一个整体，即双金属片原材料；
(3)将得到的双金属片原材料按最终实际需要的尺寸进行冲压成形，得到双金属片成品，按上述工艺得到成品双金属片中高膨胀层和低膨胀层厚度范围为0.25-0.30mm，中间过渡层的厚度范围为0.020-0.025mm，高膨胀层合金平均晶粒尺寸为200μm，低膨胀层合金平均晶粒尺寸为100μm。
3.如权利要求2所述一种疏水阀用双金属片的制备方法，其特征在于：步骤(2)所述复合成形温度为1000-1020℃，加压压力为10-20MPa，时间为30-60min。
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