CN1151446A - 柱塞泵泵头内壁强化工艺方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柱塞泵泵头体的强化工艺方法，是对合金钢材料制成的泵头依次采用渗碳处理，而后直接淬火和回火，使泵头产生完整的马氏体薄壳的薄壳硬化自增强处理和利用高速运动的弹丸流对泵头内腔表面冲击，使得已经过薄壳硬化处理而具有一定压应力场的泵头内腔表面产生塑性循环应变层的应力喷丸强化处理，优点是减少泵头强化处理中的不确定性因素，方便力学参数检测，提高泵头耐疲劳腐蚀的强度，克服气室效应，提高泵头内腔表面的残余压应力，从而延长泵头的使用寿命。
Description
本发明涉及一种柱塞泵泵头体的强化工艺方法，属于改善柱塞泵部件机械性能的方法。
目前，系列高压往复式柱塞泵在油田开发注水中得到广泛应用，但对泵头体采用何种强化工艺方法直接影响泵头的服役寿命，泵头失效的主要原因是疲劳破坏，为了提高泵头的服役寿命最常用的方法是对泵头进行自增强处理，也称自紧或超应变处理，主要方法是液压自增强和爆轰自增强，液压自增强是指将制备的高压液流注入泵头内腔，使泵头内壁出现弹性至塑性变形，泵头内腔减压后，由于弹性恢复使得泵头内腔产生残余压应力，此压应力与工作应力的合成应力是泵头的承载应力，应力脉动值显著减少，因而可大大提高泵头的服役寿命，此方法有三项技术关键，一是高压液体的制备包括高压泵，增压器及管路系统，根据泵头材料弹塑性变形的要求，其内压将达到1000MPa左右，因而对这一系统的要求很高，其二是泵头的密封，泵头几何形状复杂，开孔较多，然而，所有开孔在处理时，必须严密封堵，不得有丝毫渗漏，实施起来是很复杂的，其三是应力测试，由于泵头内腔各处壁厚不均，几何形状不同，因而在同一内压下泵头内腔发生的弹塑性变形和产生的残余应力的大小不同；理论上讲100％超应变可能获得最佳的寿命，实际上采用液压自增强是很难实现100％超应变。爆轰自增强是指将特制的柔性腻子炸药贴到泵头待自增强的部位上，使用炸药引爆所产生的冲击波，越过保护层直接作用于该部位，在微秒级时间内完成预定的弹塑性变形，在爆轰的条件下确定和控制超应变，情况非常复杂，虽然在试验室台架试验和工业试验中已有成效，但对钢在高能量、高应变速率下的力学行为至今了解不多，机理研究和理论计算困难，工艺参数只能靠试验取得。
液压自增强和爆轰自增强两种方法，都需要建造专门的实验室或工作室，由于这些方法属于高压和火工作业，工艺要求很高，且两种方法在工程方面有不确定因素，成批生产加工难度较大，存在不能改善腐蚀疲劳(应力腐蚀)和气室效应的不足，此外，自增强后的内腔配合面必须进行精细加工，这样会使得泵头内腔表面残余压应力下降。
本发明的目的在于提出一种减少泵头强化处理中的不确定性因素，方便力学参数检测，提高泵头耐疲劳腐蚀的强度，克服气室效应，提高泵头内腔表面的残余压应力，从而延长泵头的使用寿命的柱塞泵泵头内壁强化的工艺方法。
本发明的目的是通过如下技术方案实现的：对合金钢材料制成的泵头依次采用薄壳硬化自增强处理和应力喷丸强化处理。
采用薄壳硬化自增强处理工艺为渗碳处理，而后直接淬火和回火，使泵头产生完整的马氏体薄壳，应力喷丸强化处理是利用高速运动的弹丸流对泵头内腔表面冲击，使得已经过薄壳硬化处理而具有一定压应力场的泵头内腔表面产生塑性循环应变层。
采用薄壳硬化处理后的泵头控制渗碳层深度在1.7至2.1mm，碳化物级别K≤5，泵头内壁硬度达HRc55至64，马氏体级别M≤5，内腔表面残余压应力达-100MPa至-250MPa。
应力喷丸强化处理是强力喷丸，弹丸采用铸钢弹丸，采用内孔喷丸装置，内孔喷嘴在泵头内腔中作垂直往复运动，在泵头模拟件中利用弧度高试片随时确定喷丸强度。应力喷丸强化处理后泵头内腔表面残余压应力达-500MPa至-1250MPa。
本发明的优点在于：减少泵头强化处理中的不确定性因素，方便力学参数检测，提高泵头耐疲劳腐蚀的强度，克服气室效应，提高泵头内腔表面的残余压应力，从而延长泵头的使用寿命。
图1.泵头体热处理工艺曲线；
图2.根据弧度高曲线(f-t曲线)确定喷丸强度的示意图。
下面结合附图对泵头内壁强化工艺方法进行详细说明：
对于用CrMo合金钢材料制造的泵头体，本发明的目的是通过如下技术方案实现的：对CrMo合金钢材料制成的泵头依次采用薄壳硬化自增强处理和应力喷丸强化处理，采用薄壳硬化自增强处理工艺为渗碳处理，而后直接淬火和回火，使泵头产生完整的马氏体薄壳。应力喷丸强化处理是利用高速运动的弹丸流对泵头内腔表面冲击，使得已经过薄壳硬化处理而具有一定压应力场的泵头内腔表面表面产生塑性循环应变层。采用薄壳硬化处理后的泵头控制渗碳层深度在1.7至2.1mm，碳化物级别K≤5，泵头内壁硬度达HRc55至64，马氏体级别M≤5，内腔表面残余压应力达-100MPa至-250MPa，应力喷丸强化处理是强力喷丸，弹丸采用铸钢弹丸，采用内孔喷丸装置，内孔喷嘴在泵头内腔中作垂直往复运动，在泵头模拟件中利用弧度高试片随时确定喷丸强度。应力喷丸强化处理后泵头内腔表面残余压应力达-500MPa至-1250MPa。
首先进行薄壳硬化自增强处理，泵头体在100℃的水溶液中清洗5分钟，按常规泵头热处理要求的防渗要求进行防渗，而后烘干，按照图1曲线所示，先进行预热，450℃时保持3小时；此后转入可控气箱式炉中进行吸碳和淬火，炉温应保持在920±5℃，吸碳1小时10分钟时，从炉墙管子内放入定碳片一片，经20-25分钟，取出送化验室分析，碳量在0.9％-1.2％为符合工艺要求，不合格时应及时进行处理，此间保持9-9.5小时，控制碳势为1.4％，再经2小时控制碳势为1.3％，过程中每小时充入甲醇10升、氮气8立方米；此后1小时降温至860℃±5℃，保持30分钟，出炉后放入温度≤80℃的循环油中，油冷25-30分钟；此后，在10℃水溶液中清洗泵头5分钟，将泵头装入可控回火炉中，保持180-200℃温度6小时，回火后空冷出炉。此时的泵头内腔表面已形成完整的马氏体薄壳，最大的残余压应力值达-250MPa，薄壳硬化自增强处理中控制渗碳层深度在1.7-2.1mm，碳化物级别K≤5，处理后泵头内壁硬度达HRc55-64，马氏体级别M≤5。
对经过薄壳硬化自增强处理的泵头内腔进行应力喷丸强化处理：首先选择适宜的弧高度试片(参照GSBA69001)，弧高度试片是用来综合度量喷丸强化工艺参数的一种专用的量规，其系采用70号弹簧钢制成，共有三种尺寸，符号分别为N、A、C，弧高度试片在弹丸的冲击下表面层将发生塑性流变，导致试片向喷丸呈球面状弯曲。取一平面作为基准面切入变形球面内，则由该基准面至球面最高点之距离定义为弧高度。假定喷丸强化参数即：弹丸材料、弹丸尺寸、弹丸硬度、弹丸速度、弹丸流量、喷射角度、喷嘴数目及喷嘴至泵头内腔表面的距离等不变，则同一类试片，在接受不同时间的喷丸时，可获得一组弧高值随喷丸时间(或喷丸次数)变化数据，由这些数据可绘制出如图2的弧高度曲线。在任何一组喷丸强化参数下的弧高度曲线上均存在一个准饱和点，超过该饱和点，弧高度值随喷丸时间的增加而缓慢增高，根据这一现象，在喷丸强化过程中可作如下定义：在一倍于饱和点的喷丸时间下，弧高值的增量不超过饱和点处弧高值的10％，则饱和点处的弧高值定义为该组工艺参数的喷丸强度。一组喷丸强化工艺参数下只有一个喷丸强度。喷丸强度的容差只有正容差，容差范围为0-30％，但最小正容差不低于0.08mm。为达到泵头内壁的不同喷丸部位，喷丸强度的要求，需要通过泵头的模拟件调整喷丸强化工艺的参数，泵头模拟件是由42CrMo钢制成，模拟件热处理后内壁硬度达HRc55-58，模拟件的内孔直径与泵头被喷孔的直径相同，模拟件的内壁能固定A型弧高度试片。
喷丸采用铸钢弹丸(参照GB6484)，弹丸硬度为HRc45-52或HRc55-62，弹丸外形呈现尖锐棱角、长针状或丸中砂眼、气孔的弹丸或弹丸尺寸超出规定的均为不合格，表面光滑的球形或椭球形弹丸满足尺寸规定的均为合格弹丸，弹丸尺寸应满足在1.4mm筛网(参照GB6004)上完全通过，在1.18mm筛网上最多存在2％，在0.850mm的筛网上至少存在90％，在0.710mm的筛网上至少存在98％，弹丸直径最好在1.18mm-0.85mm之间。进行喷丸的泵头内表面喷湾区的锐角导圆半径的范围为1.0-1.6mm。A型试片喷丸的强度范围应处于0.3-0.39mm。
喷丸操作如下：将弧高度试片固定在模拟件内，再把模拟件置入喷丸室内，采用内孔喷丸装置，即用内孔喷嘴对模拟件内腔的试片进行喷丸，控制内喷嘴的运动线速度在25-30mm/分钟，经过1-3次往复运动，即可达到要求的喷丸强度，若喷丸强度仍达不到强度范围的下限如0.3mmA，则可加大喷丸机的空气压力，直到满足相应的强度要求。模拟件内的试片经弧高度测具测量调整喷丸强化参数。通常满足喷丸强化的工艺其它参数为：喷嘴数量1个，喷射角度90°，喷嘴转速9-10圈/分钟，喷嘴在泵头体内均速运动的线速度为25-30mm/分钟，喷嘴至待喷表面的距离为30-40mm，喷丸时间约30分钟，喷丸机的空气压缩机的压力为0.4-0.6MPa。生成过程中按一定的时间间隔进行喷丸检验，一般每强化5个泵头，用模拟件及试片检验一次喷丸强度，也可随时检测，若发现检测出的喷丸强度高于规定要求，则前若干泵头是不合格品，若低于喷丸强度要求，则应采用喷丸强度范围的下限值，进行补喷，达到喷丸强度要求的泵头体需进行清除粉尘和弹丸，或用砂纸打磨被喷表面，其老层深度不超过0.01mm，经喷丸后的泵头热处理时，其加热温度低于200℃。泵头内表面的残余压应力达到-500MPa至-1250MPa；金相观察泵头的基体显微组织为回火马氏体及少量的残留奥氏体，喷丸后渗碳层内基本无网状碳化物和内氧化，表层白亮是喷丸产生的剧烈形变组织，克服了气室效应。
Claims (6)
1.一种柱塞泵泵头内壁强化工艺方法，是对合金钢材料制成的泵头进行自增强处理，其特征在于：依次采用薄壳硬化自增强处理和应力喷丸强化处理。
2.根据权利要求1所述的一种柱塞泵泵头内壁强化工艺方法，其特征在于：采用薄壳硬化自增强处理工艺为渗碳处理，而后直接淬火和回火，使泵头产生完整的马氏体薄壳。
3.根据权利要求1所述的一种柱塞泵泵头内壁强化工艺方法，其特征在于：应力喷丸强化处理是利用高速运动的弹丸流对泵头内腔表面冲击，使得已经过薄壳硬化处理而具有一定压应力场的泵头内腔表面产生塑性循环应变层。
4.根据权利要求1、2所述的一种柱塞泵泵头内壁强化工艺方法，其特征在于：采用薄壳硬化处理后的泵头控制渗碳层深度在1.7至2.1mm，碳化物级别K≤5，泵头内壁硬度达HRc55至64，马氏体级别M≤5，内腔表面残余压应力达-100MPa至-250MPa。
5.根据权利要求1、3所述的一种柱塞泵泵头内壁强化工艺方法，其特征在于：应力喷丸强化处理是强力喷丸，弹丸采用铸钢弹丸，采用内孔喷丸装置，内孔喷嘴在泵头内腔中作垂直往复运动，在泵头模拟件中利用弧度高试片随时确定喷丸强度。
6.根据权利要求1、3所述的一种柱塞泵泵头内壁强化工艺方法，其特征在于：应力喷丸强化处理后泵头内腔表面残余压应力达-500MPa至-1250MPa。
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- 1996-08-21 CN CN 96109504 patent/CN1151446A/zh active Pending
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