CN116657077A - 一种表面硬化的锆材球体制备方法及锆材球体和应用 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种表面硬化的锆材球体制备方法及锆材球体和应用，其中，制备方法包括：首先对锆材原料进行退火处理并进行粗加工；随后对粗加工后的球体毛坯进行高温去应力退火；去应力退火完成后抛光球体表面并依次进行超声波清洗、无水乙醇清洗后烘干；最后放入离子氮化炉中进行离子氮化，即得到成品的表面硬化的锆材球体。本发明公开的方法所制备得到的锆材球体表面硬度显著提升，耐磨性大增强，在将其应用于制备球阀球体时，还可以有效控制球阀球体的变形，保证密封性能，使得球阀球体可满足轻载荷、耐磨损、耐腐蚀工况的使用需求，延长使用寿命。
Description
技术领域
本申请涉及锆材产品表面处理技术领域，尤其涉及一种表面硬化的锆材球体制备方法及锆材球体和应用。
背景技术
锆及锆合金具有适中的密度、耐由于在大多数无机酸、有机酸、强碱和熔盐中具有极好的耐腐蚀性，同时具有良好的综合力学性能，工艺性和传热性，成为了化学工业中极为重要的耐腐蚀材料。在MMA、醋酸等生产过程中，锆材已成为设备装置的首选材料。
但在实际应用中，由于锆材硬度低、耐磨性差、易咬合的不足，往往导致锆材制品表面发生磨损，影响其功能性使用，例如，锆材应用于阀门阀芯的制备时，容易产生阀门寿命短、精度差、工作稳定性不佳的问题。因此提升锆材表面硬度，增强其耐磨性，对延长其使用寿命、保证其制成的工件稳定工作以及拓宽其应用范围具有重大意义。
目前改善锆材表面硬度，提升耐磨性的技术研究较少，主要集中在锆材表面加热氧化、热喷涂等方面。虽然这些方法可以提高锆材产品的表面硬度，但这些表面处理方法要么与基体材料的结合强度低，导致涂层容易脱落；要么对于大尺寸的工件工艺实施较为困难。
综上，现需要一种较为理想的锆材及其制品的表面处理技术方案，以提升锆材及其制品的实际应用价值与应用效果。
发明内容
本申请实施例通过提供一种表面硬化的锆材球体制备方法，解决了目前改善锆材表面硬度的工艺中硬化涂层容易脱落导致效果不稳定、以及对尺寸较大工件难以施行的问题，实现了表面硬化效果优良且稳定，工件使用寿命长，能充分适应较高强度的工作环境的技术效果；本申请实施例还公开了根据上述制备方法得到的锆材球体，以及应用该锆材球体的球阀。
根据本申请实施例的第一方面，提供了一种表面硬化的锆材球体制备方法，其包括以下步骤：
S1、对锆材原料进行700~750℃加热，均温后保温1~3h，然后出炉空冷；
S2、对冷却后的锆材原料进行加工，得到球体毛坯；
S3、将所述球体毛坯以1.5~2.5℃/min速率升温至500℃加热，均温后再以1~1.5℃/min速率升温至750~800℃，均温后保温1~3h，之后冷却，得到去应力毛坯；
S4、对所述去应力毛坯进行清洁，之后进行渗氮处理，即得到表面硬化的锆材球体。
在一种可能的实现方式中，
S1中的所述锆材原料为金属锆或锆合金。
在一种可能的实现方式中，
S3中，冷却的方式为保温后首先随炉冷却至100℃以下，之后出炉空冷。
在上述可能的实现方式中，进一步地，
S3中，出炉空冷之前保持真空环境，真空度低于0.33Pa。
在一种可能的实现方式中，
S4中，对所述去应力毛坯进行清洁之前，对所述去应力毛坯进行精加工，使其达到目标产品尺寸；进行所述清洁的流程依次为超声波清洗、无水乙醇清洗和烘干。
在一种可能的实现方式中，
S4中，进行所述渗氮处理的流程包括：
将所述去应力毛坯固定于密封的氮化炉内部，并向氮化炉内部持续通入渗氮用气体；
将氮化炉内部抽真空度至10Pa以下时开启工作电源，点燃辉光；之后保持渗氮用气体的供气量为0.5~0.7L/min，保持工作电流为40~60A，保持工作电压为750~850W；
所述去应力毛坯温度大于400℃后，减小渗氮用气体的供气量为0.2~0.4 L/min，降低工作电流为10~30A，控制升温速率1.5℃/min至所述去应力毛坯的温度为700~750℃，之后保温3~6h；
保温结束后得到渗氮毛坯，切断工作电源，停止渗氮用气体的供气，持续对氮化炉内部进行抽气，直至所述渗氮毛坯随炉冷却到100℃以下，出炉空冷。
在上述可能的实现方式中，进一步地，
所述渗氮用气体为氨气，其NH3组分含量≥99.8%。
根据本申请实施例的第二方面，提供了一种表面硬化的锆材球体，其是根据上述表面硬化的锆材球体制备方法的步骤得到；
所述锆材球体的圆度在0.04mm以内，所述锆材球体表面具有渗氮层，所述渗氮层的深度≥100μm，所述渗氮层表面硬度为500HV ~900HV。
根据本申请实施例的第三方面，提供了上述锆材球体的一种应用，具体提供了一种球阀，包括阀体、球阀球体、阀座和阀杆，所述球阀球体是采用上述表面硬化的锆材球体制成的。
在一种可能的实现方式中，
所述球阀球体的表面粗糙度不大于1.6μm；
所述球阀球体具体为直通式球阀球体，其口径为DN25~DN500，其球体直径为40~700mm。
本发明与现有技术相比，至少具有如下优点：
（1）本发明提供的制备方法可以在锆材球体表面形成渗氮的硬化层，该硬化层可有效提高零件的耐腐蚀性与耐摩性，提高锆材球体的功能性与使用寿命。
（2）本发明提供的制备方法可以有效控制锆材球体在硬化层制备过程中的变形，稳定球体圆度，保证密封性能。
（3）本发明的处理方法工艺流程相对简单，经济性好。
（4）由本发明提供的制备方法得到的锆材球体由于具有较好的硬度、耐磨性能与耐腐蚀性能，故十分适用于球阀的阀芯球体，可提升阀门的寿命、精度与使用稳定性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对本申请实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例1提供的一种球阀球体的侧剖结构图；
图2为本申请实施例3提供的锆材球体的渗氮层的显微组织图；
图3为本申请实施例3提供的锆材球体的渗氮层截面梯度硬度图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请实施例中的具体含义。
第一方面，本实施例公开了一种表面硬化的锆材球体制备方法，其包括以下步骤：
S1、对锆材原料进行700~750℃加热，均温后保温1~3h，之后出炉空冷；
S2、对冷却后的锆材原料进行加工，得到球体毛坯；
S3、将所述球体毛坯以1.5~2.5℃/min速率升温至500℃加热，均温后再以1~1.5℃/min速率升温至750~800℃，均温后保温1~3h，之后冷却，得到去应力毛坯；
S4、对所述去应力毛坯进行清洁，之后进行渗氮处理，即得到表面硬化的锆材球体。
在一个优选的技术方案中，
S1中的所述锆材原料为金属锆或锆合金。
在一个优选的技术方案中，
S3中，冷却的方式为保温后首先随炉冷却至100℃以下，之后出炉空冷。
在上述优选的技术方案中，进一步地，
S3中，出炉空冷之前保持真空环境，真空度低于0.33Pa。
在一个优选的技术方案中，
S4中，对所述去应力毛坯进行清洁之前，对所述去应力毛坯进行精加工，使其达到目标产品尺寸；进行所述清洁的流程依次为超声波清洗、无水乙醇清洗和烘干。
在一个优选的技术方案中，
S4中，进行所述渗氮处理的流程包括：
将所述去应力毛坯固定于密封的氮化炉内部，并向氮化炉内部持续通入渗氮用气体；
将氮化炉内部抽真空度至10Pa以下时开启工作电源，点燃辉光；之后保持渗氮用气体的供气量为0.5~0.7L/min，保持工作电流为40~60A，保持工作电压为750~850W；
所述去应力毛坯温度大于400℃后，减小渗氮用气体的供气量为0.2~0.4 L/min，降低工作电流为10~30A，控制升温速率1.5℃/min至所述去应力毛坯的温度为700~750℃，之后保温3~6h；
保温结束后得到渗氮毛坯，切断工作电源，停止渗氮用气体的供气，持续对氮化炉内部进行抽气，直至所述渗氮毛坯随炉冷却到100℃以下，出炉空冷。
在上述优选的技术方案中，进一步地，
所述渗氮用气体为氨气，其NH3组分含量≥99.8%。
第二方面，本实施例提供了一种表面硬化的锆材球体，其是根据上述表面硬化的锆材球体制备方法的步骤得到的；
所述锆材球体的圆度在0.04mm以内，所述锆材球体表面具有渗氮层，所述渗氮层的深度≥100μm，所述渗氮层表面硬度为500HV ~900HV。
第三方面，本实施例提供了上述表面硬化的锆材球体的一种应用，具体是一种球阀，包括阀体、球阀球体、阀座和阀杆，所述球阀球体是采用上述表面硬化的锆材球体制成的。
在一个优选的技术方案中，
所述球阀球体的表面粗糙度不大于1.6μm；
所述球阀球体具体为直通式球阀球体，其口径为DN25~DN500，其球体直径为40~700mm。
接下来提供多个更具体的实施案例，以进一步说明本申请的技术效果。
实施例1
制备口径为DN25的锆材球阀球体，所用的合金原材料的牌号为R60702，是一种含锆合金；
（1）首先对R60702的棒料进行退火处理，温度700℃，保温1h，空冷，得到退火后锻件；
（2）对退火后锻件粗加工后得到球体毛坯，对球体毛坯进行真空去应力处理，真空度低于0.33Pa，以1.5℃/min速率升温至500℃，再以1℃/min速率升温至750℃、保温1h，保温完成后随炉冷却到到100℃以下，出炉空冷，得到去应力毛坯；
（3）对去应力毛坯依次进行超声波清洗，无水乙醇清洗后烘干；
（4）对清洗后的去应力毛坯进行离子氮化处理，将去应力毛坯通过工装固定在氮化炉中，抽真空度至8Pa开启电源点燃辉光，升温阶段增大供气量为0.5L/min，提高电流为40A，电压为750V，当去应力毛坯温度大于400℃后，减小供气量为0.2L/min，降低电流为20A，控制升温速率1.5℃/min至700℃，保温3h，氮化结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气，保持真空侧泵继续抽气，使工件在真空环境中随炉冷却到100℃以下，出炉空冷，得到球阀球体。
对得到的球阀球体进行检测，检测结果表明，其渗氮层深度为122μm，表面硬度为675HV0.2，约为R60702基材硬度178HV0.2的3.8倍，球体圆度为0.01mm。
实施例2
制备DN150的锆材球阀球体，所用的合金牌号为R60705，是一种含锆合金；
（1）首先对R60705的棒料进行退火处理，温度720℃，保温1.5h，空冷，得到退火后锻件；
（2）对退火后锻件粗加工得到球体毛坯，对球体毛坯进行真空去应力处理，真空度低于0.33Pa，以1.5℃/min速率升温至500℃，再以1℃/min速率升温至750℃、保温1.5h，保温完成后随炉冷却到到100℃以下，出炉空冷，得到去应力毛坯；
（3）对去应力毛坯依次进行超声波清洗，无水乙醇清洗后烘干；
（4）对清洗后的去应力毛坯进行离子氮化处理，将去应力毛坯通过工装固定在氮化炉中，抽真空度至7Pa开启电源点燃辉光，升温阶段增大供气量为0.5L/min，提高电流为45A，电压为780V，当去应力毛坯温度大于400℃后，减小供气量为0.2L/min，降低电流为20A，控制升温速率1.5℃/min至720℃，保温4h，氮化结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气，保持真空侧泵继续抽气，使工件在真空环境中随炉冷却到100℃以下，出炉空冷，得到球阀球体。
对得到的球阀球体进行检测，检测结果表明，其渗氮层深度为139μm，表面硬度为847HV0.2，约为R60705基材硬度197HV0.2的4.3倍，球体圆度为0.02mm。
实施例3
制备DN300的锆材球阀球体，所用的合金原材料的牌号为R60702，是一种含锆合金；
（1）R60702的棒料进行退火处理，温度750℃，保温2h，空冷，得到退火后锻件；
（2）对退火后锻件粗加工得到球体毛坯，对球体毛坯进行真空去应力处理，真空度低于0.33Pa，以2℃/min速率升温至500℃，再以1.5℃/min速率升温至780℃、保温2h，保温完成后随炉冷却到到100℃以下，出炉空冷，得到去应力毛坯；
（3）对去应力毛坯依次进行超声波清洗，无水乙醇清洗后烘干；
（4）对清洗后的去应力毛坯进行离子氮化处理，将去应力毛坯通过工装固定在氮化炉中，抽真空度至5Pa开启电源点燃辉光，升温阶段增大供气量为0.6L/min，提高电流为50A，电压为780V，当去应力毛坯温度大于400℃后，减小供气量为0.3L/min，降低电流为20A，控制升温速率1.5℃/min至750℃，保温5h，氮化结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件在渗氮气氛中随炉冷却到100℃以下，出炉空冷，得到球阀球体。
对得到的球阀球体进行检测，检测结果表明，其渗氮层深度为148μm，表面硬度为753HV0.2，约为R60702基材硬度178HV0.2的4.2倍，球体圆度为0.03mm。
实施例4
制备DN500的锆材球阀球体，所用的合金原材料的牌号为R60702，是一种含锆合金；
（1）首先对60702的棒料进行退火处理，温度750℃，保温3h，空冷，得到退火后锻件；
（2）对退火后锻件粗加工得到球体毛坯，对球体毛坯进行真空去应力处理，真空度低于0.33Pa，以2.5℃/min速率升温至500℃，再以1.5℃/min速率升温至800℃、保温3h，保温完成后随炉冷却到到100℃以下，出炉空冷，得到去应力毛坯；
（3）对去应力毛坯依次进行超声波清洗，无水乙醇清洗后烘干；
（4）对去应力毛坯进行离子氮化处理，将去应力毛坯通过工装固定在氮化炉中，抽真空度至5Pa开启电源点燃辉光，升温阶段增大供气量为0.7/min,提高电流为60A，电压为850V，当去应力毛坯温度大于400℃后，减小供气量为0.4L/min，降低电流为30A，控制升温速率1.5℃/min至750℃，保温6h，氮化结束后，切断辉光电源，关闭阀门停止供气和抽气，工件在渗氮气氛中随炉冷却到100℃以下，出炉空冷，得到球阀球体。
对得到的球阀球体进行检测，检测结果表明，其渗氮层深度为159μm，表面硬度为773HV0.2，约为R60702基材硬度178HV0.2的4.2倍，球体圆度为0.04mm。
本说明书中的各个实施方式采用递进的方式描述，各个实施方式之间相同或相似的部分互相参见即可，每个实施方式重点说明的都是与其他实施方式的不同之处。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对本申请限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、对锆材原料进行700~750℃加热，均温后保温1~3h，然后出炉空冷；
S2、对冷却后的锆材原料进行加工，得到球体毛坯；
S3、将所述球体毛坯以1.5~2.5℃/min速率升温至500℃加热，均温后再以1~1.5℃/min速率升温至750~800℃，均温后保温1~3h，之后冷却，得到去应力毛坯；
S4、对所述去应力毛坯进行清洁，之后进行渗氮处理，即得到表面硬化的锆材球体。
2.根据权利要求1所述的一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，
S1中的所述锆材原料为金属锆或锆合金。
3.根据权利要求1所述的一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，
S3中，冷却的方式为保温后首先随炉冷却至100℃以下，之后出炉空冷。
4.根据权利要求3所述的一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，
S3中，出炉空冷之前保持真空环境，真空度低于0.33Pa。
5.根据权利要求1所述的一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，
S4中，对所述去应力毛坯进行清洁之前，对所述去应力毛坯进行精加工，使其达到目标产品尺寸；进行所述清洁的流程依次为超声波清洗、无水乙醇清洗和烘干。
6.根据权利要求1所述的一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，
S4中，进行所述渗氮处理的流程包括：
将所述去应力毛坯固定于密封的氮化炉内部，并向氮化炉内部持续通入渗氮用气体；
将氮化炉内部抽真空度至10Pa以下时开启工作电源，点燃辉光；之后保持渗氮用气体的供气量为0.5~0.7L/min，保持工作电流为40~60A，保持工作电压为750~850W；
所述去应力毛坯温度大于400℃后，减小渗氮用气体的供气量为0.2~0.4 L/min，降低工作电流为10~30A，控制升温速率1.5℃/min至所述去应力毛坯的温度为700~750℃，之后保温3~6h；
保温结束后得到渗氮毛坯，切断工作电源，停止渗氮用气体的供气，持续对氮化炉内部进行抽气，直至所述渗氮毛坯随炉冷却到100℃以下，出炉空冷。
7.根据权利要求6所述的一种表面硬化的锆材球体制备方法，其特征在于，
所述渗氮用气体为氨气，其NH3组分含量≥99.8%。
8.一种表面硬化的锆材球体，其特征在于，
是根据权利要求1~7任一项所述的表面硬化的锆材球体制备方法的步骤得到；
所述锆材球体的圆度在0.04mm以内，所述锆材球体表面具有渗氮层，所述渗氮层的深度≥100μm，所述渗氮层表面硬度为500HV ~900HV。
9.一种球阀，包括阀体、球阀球体、阀座和阀杆，其特征在于，
所述球阀球体是采用权利要求8所述的表面硬化的锆材球体制成的。
10.根据权利要求9所述的一种球阀，其特征在于，
所述球阀球体的表面粗糙度不大于1.6μm；
所述球阀球体具体为直通式球阀球体，其口径为DN25~DN500，其球体直径为40~700mm。
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| CN202310745426.9A CN116657077A (zh) | 2023-06-25 | 2023-06-25 | 一种表面硬化的锆材球体制备方法及锆材球体和应用 |
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