耐磨及耐衝蝕的球閥閥芯及其製造方法與流程
2023-10-31 04:48:22 1
本發明涉及閥門技術領域，更具體地說，本發明涉及一種耐磨及耐衝蝕的球閥閥芯及其製造方法。
背景技術：
金屬硬密封球閥材料一般為碳鋼或不鏽鋼，由於材料本身的限制，在存在強磨損和強衝蝕工況下球閥閥芯常常會因為磨損和衝蝕造成失效。採用表面強化技術對閥芯進行表面改性，提高閥芯耐衝蝕性能，是提高金屬硬密封球閥使用壽命和可靠性的重要方法。
但傳統耐磨塗層工藝主要包括噴焊、堆焊、熱噴塗塗。噴焊所適用材料範圍較窄，基體材料變形嚴重，噴焊層的成分與原始成分有一定差異。堆焊工藝局部的高溫會導致受熱不均勻，溫度梯度大，容易引起較大焊接殘餘應力及變形，焊接塗層會局部開裂甚至形成貫穿裂紋，導致塗層脫落。熱噴塗的塗層厚度在0.2～0.6mm，塗層與基體結合力較低，孔隙率較高，熱效率低，操作環境較差。可見，傳統耐磨塗層技術亟待改進以便製備出高性能的耐磨、耐衝蝕塗層的球閥閥芯。
技術實現要素：
本發明的一個目的是解決至少上述問題，並提供至少後面將說明的優點。
本發明還有一個目的是提供一種耐磨及耐衝蝕的球閥閥芯及其製造方法，採用真空釺焊工藝使碳化鎢柔性布在金屬球閥外表面形成鎳基碳化鎢塗層，然後脫除球形陶瓷模具再經過簡單的磨削加工最終製得耐磨及耐衝蝕球閥閥芯，以提高球閥的使用壽命和可靠性。
為了實現根據本發明的這些目的和其它優點，提供了一種耐磨及耐衝蝕的球閥閥芯，包括：
金屬本體，其球形外表面上間隔開設有若干條鋸齒形凹槽；
鎳基碳化鎢塗層，其均勻覆蓋在所述金屬本體的球形外表面，所述鎳基碳化鎢塗層的厚度為3mm～6mm；
其中，所述凹槽由所述鎳基碳化鎢塗層完全填充，所述鎳基碳化鎢塗層中包含有48.83wt%～73.13wt%的碳化鎢、26.87wt%～51.17wt%的鎳、1.19wt%～3.66wt%的鉻、0.59wt%～2.19wt%的硼、0.91wt%～2.56wt%的矽以及0.59wt%～2.19wt%的鐵。
優選的，所述鎳基碳化鎢塗層由59.8wt%的碳化鎢粉末、33.77wt%的鎳粉、2.41wt%的鉻粉、1.21wt%的硼粉、1.6wt%的矽粉以及1.21wt%的鐵粉製成，所述鎳基碳化鎢塗層的厚度為5mm。
優選的，所述凹槽為正方鋸齒波結構，相鄰鋸齒間距為2.5mm～3.0mm，相鄰兩條所述凹槽的間距為1.5mm～2.7mm，所述凹槽的寬度為0.2mm～0.8mm，所述凹槽的深度為0.2mm～0.7mm。
優選的，若干條所述凹槽等間距平行設置，每一條所述凹槽為首尾封閉的鋸齒波結構，所述凹槽與所述金屬本體的通孔同心設置。
優選的，所述凹槽的寬度為0.5mm，所述凹槽的相鄰鋸齒間距2.8mm，相鄰兩條平行凹槽的間距為2mm，所述凹槽深度為0.5mm。
優選的，所述凹槽內壁上設置有若干凸起，所述凸起的高度在0.03mm～0.15mm。
優選的，包括以下步驟：
步驟一、按質量百分比稱取碳化鎢粉末48.83wt%～73.13wt%、鎳粉23.59wt%～40.57wt%、鉻粉1.19wt%～3.66wt%、硼粉0.59wt%～2.19wt%、矽粉0.91wt%～2.56wt%、鐵粉0.59wt%～2.19wt%，將各原料混合均勻；
步驟二、按原料混合粉末總質量的1.39wt%～2.08wt%稱取聚四氟乙烯粉末加入原料混合粉末中混合均勻，將混合後的粉末壓製成碳化鎢柔性布；
步驟三、將閥芯的金屬本體表面進行噴砂和去油處理，並在金屬本體表面間隔加工出若干條鋸齒形凹槽；
步驟四、將金屬本體同心放置在球形模具中，所述球形模具內腔壁和金屬本體外表面的間隙為6mm；
步驟五、將所述碳化鎢柔性布剪成2mm×2mm的正方形填充在所述球形模具與金屬本體的間隙中並壓實；
步驟六、將填充有碳化鎢柔性布的所述球形模具和金屬本體放置到真空釺焊爐內燒結，製得表面覆蓋有鎳基碳化鎢塗層的球閥閥芯；其中，釺焊爐內的真空度至少在10-3Pa等級，燒結曲線為：然後以5℃/分鐘～10℃/分鐘的速度升溫至200℃～400℃並保持0.5～1小時，再以10℃/分鐘～15℃/分鐘的速度升溫至1000℃～1100℃保溫0.5～1小時，然後再以10℃/分鐘～20℃/分鐘的速度降溫至室溫；
步驟七、將鎳基碳化鎢塗層進行磨削加工。
優選的，原料混合粉末中含碳化鎢粉末59.8wt%、鎳粉33.77wt%、鉻粉2.41wt%、硼粉1.21wt%、矽粉1.6wt%以及鐵粉1.21wt%，所述聚四氟乙烯粉末的添加量為原料總質量的1.73wt%，所述碳化鎢粉末能過240目篩。
優選的，所述凹槽為正方鋸齒波結構，相鄰鋸齒間距為2.5mm～3.0mm，相鄰兩條所述凹槽的間距為1.5mm～2.7mm，所述凹槽的寬度為0.2mm～0.8mm，所述凹槽的深度為0.2mm～0.7mm。
優選的，所述球形模具由上半部和下半部拼裝而成的陶瓷模具，下半部為碗狀，上半部為無底碗形狀。本發明至少包括以下有益效果：
1、本發明製備的得到的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯，鎳基碳化鎢塗層的厚度為5mm，遠超通過超音速噴塗的耐磨塗層0.2～0.3mm的厚度，且鎳基碳化鎢塗層中碳化鎢顆粒分布均勻，塗層內部無缺陷、表面無裂紋，很好的與閥芯本體結合成一體結構；
2、耐磨合耐衝蝕的綜合機械性能優異，其中耐磨損性能是304不鏽鋼球閥閥芯的400倍，是表面熱噴塗Ni55材料的2倍，耐衝蝕性能是表面通過超音速噴塗碳化鎢塗層的1.5倍；
3、塗層與閥芯本體的結合為冶金結合，結合強度達到375MPa，且金屬本體和鎳基碳化鎢塗層的界面上加工有正方鋸齒形凹槽，以增強鎳基碳化鎢塗層與金屬本體的結合力，塗層與閥芯本體不易脫落；
4、本發明製備的得到的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯加工工藝簡單、設備投資低、製造成本低。
本發明的其它優點、目標和特徵將部分通過下面的說明體現，部分還將通過對本發明的研究和實踐而為本領域的技術人員所理解。
附圖說明
圖1 為金屬本體側視圖；
圖2為填充有碳化鎢柔性布的球形模具和金屬本體的剖視圖；
圖3為鎳基碳化鎢塗層橫斷面的電鏡圖；
圖4為耐磨及耐衝蝕球閥閥芯的製造方法流程示意圖；
以上附圖中： 1：球形模具上半部，2：球形模具下半部，3、碳化鎢柔性布：4、金屬本體，41、凹槽。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明，以令本領域技術人員參照說明書文字能夠據以實施。
應當理解，本文所使用的諸如「具有」、「包含」以及「包括」術語並不配出一個或多個其它元件或其組合的存在或添加。
如圖1和3所示，一種實施例中，耐磨及耐衝蝕的球閥閥芯包括金屬本體和鎳基碳化鎢塗層，其中：
金屬本體4，其球形外表面上間隔開設有若干條鋸齒形凹槽41，所述金屬本體的軸向開設有用於導流的通孔，本實施例中所述凹槽41為正方鋸齒波結構，可以理解的是凹槽可以是其他形狀的鋸齒波結構，比如流線型、魚鱗型等，如圖1所示，同一條凹槽的折彎角為90°，相鄰鋸齒間距L2為2.5mm～3.0mm，優選的為2.8mm，相鄰兩條所述凹槽的間距L3為1.5mm～2.7mm，優選的為2mm，所述凹槽的寬度L1為0.2mm～0.8mm，優選的為0.5mm，所述凹槽的深度為0.2mm～0.7mm，優選的為0.5mm；
鎳基碳化鎢塗層，其均勻覆蓋在所述金屬本體4的球形外表面，且將所述凹槽完全填充，鎳基碳化鎢塗層的耐磨合耐衝蝕的綜合機械性能優異，其中耐磨損性能是304不鏽鋼球閥閥芯的400倍，是表面熱噴塗Ni55材料的2倍，耐衝蝕性能是表面通過超音速噴塗碳化鎢塗層的1.5倍；所述鎳基碳化鎢塗層的厚度為3mm～6mm，優選鎳基碳化鎢塗層的厚度為5mm，遠超通過超音速噴塗的耐磨塗層0.2～0.3mm的厚度，且鎳基碳化鎢塗層中碳化鎢顆粒分布均勻，如圖3所示，粒徑在um等級，塗層緻密度高，塗層內部無缺陷、表面無裂紋，氣孔率很小，從而很好的與閥芯本體結合成一體結構，不易脫落，體現了優異的耐磨及耐衝蝕綜合性能，且耐磨塗層厚、加工方便、製造成本低，有效提高了球閥的使用壽命和可靠性。
在金屬本體和鎳基碳化鎢塗層的界面上利用電火花加工形成正方鋸齒形凹槽，增加了碳化鎢塗層與金屬本體的接觸面積，以增強碳化鎢塗層與金屬本體的結合力，同時，塗層與閥芯本體的結合為冶金結合，結合強度達到375MPa，結合金屬本體和鎳基碳化鎢塗層界面上的正方鋸齒形凹槽，進一步增強鎳基碳化鎢塗層與金屬本體的結合力，塗層與閥芯本體不易脫落。
另一種實施例中，所述鎳基碳化鎢塗層由48.83wt%～73.13wt%的碳化鎢、26.87wt%～51.17wt%的鎳、1.19wt%～3.66wt%的鉻、0.59wt%～2.19wt%的硼、0.91wt%～2.56wt%的矽以及0.59wt%～2.19wt%的鐵製成，本實施例中，具體的，所述鎳基碳化鎢塗層由59.8wt%的碳化鎢粉末、33.77wt%的鎳粉、2.41wt%的鉻粉、1.21wt%的硼粉、1.6wt%的矽粉以及1.21wt%的鐵粉製成，成型後，所述鎳基碳化鎢塗層的厚度為5mm，該原料配比的鎳基碳化鎢塗層具有超高強度的耐磨及耐衝蝕性能，從而對閥芯表面進行改性，使得閥芯具有超高的耐磨及耐衝蝕性能，以增強使用壽命和可靠性。
另一種實施例中，若干條所述凹槽等間距平行設置，如圖1所示，每一條所述凹槽為首尾封閉的鋸齒波結構，且所述凹槽與所述金屬本體的通孔同心設置，如地球緯度線一樣均勻開設在金屬本體球形外表上，增加凹槽的覆蓋面積，同時當所述鎳基碳化鎢塗層與金屬本體結合時，所述鎳基碳化鎢塗層通過凹槽與金屬本體有更多的接觸面，以提高結合強度，同時，各條凹槽均勻布置在球體表面，所述鎳基碳化鎢塗層與金屬本體的結合力更加均衡的布置在金屬本體上，從而所述鎳基碳化鎢塗層與金屬本體均衡的結合，避免出現局部的脫落。
另一種實施例中，所述凹槽內壁上設置有若干凸起，也就是在開槽時，儘量將槽壁開成毛糙面，從而在槽面上布滿有凸起，所述凸起的高度分布在0.03mm～0.15mm，所述鎳基碳化鎢塗層完全填充在凹槽內，以進一步增加所述鎳基碳化鎢塗層與凹槽的結合力，因為槽壁越光滑，所述鎳基碳化鎢塗層與凹槽的結合力越小，還是容易整體脫落，槽壁上保留有凸起，則很好的解決了這個問題，提高了結合強度。
一種耐磨及耐衝蝕球閥閥芯的製造方法，如圖4所示，包括以下步驟：
步驟一、按質量百分比稱取碳化鎢粉末48.83wt%～73.13wt%、鎳粉23.59wt%～40.57wt%、鉻粉1.19wt%～3.66wt%、硼粉0.59wt%～2.19wt%、矽粉0.91wt%～2.56wt%、鐵粉0.59wt%～2.19wt%，所述碳化鎢粉末能過240目篩，本實施例中，原料混合粉末中含碳化鎢粉末59.8wt%、鎳粉33.77wt%、鉻粉2.41wt%、硼粉1.21wt%、矽粉1.6wt%以及鐵粉1.21wt%，將各原料混合均勻待用；
步驟二、向原料混合粉末中添加入佔原料混合粉末總質量1.73%的聚四氟乙烯粉末，將混合均勻後的粉末用輥壓機輥壓成型得到碳化鎢柔性布3；
步驟三、將閥芯的金屬本體表面進行噴砂和去油處理，而後通過電火花加工的方法在金屬本體外表面加工出若干條所述凹槽，凹槽的寬度為0.5mm，相鄰鋸齒間距為2.8mm，相鄰兩條平行凹槽的間距為2mm，凹槽深度為0.5mm；
步驟四、將金屬本體表面清潔後，同心放置在球形模具中心，金屬本體的通孔縱向設置，所述球形模具由上半部1和下半部2拼裝而成的陶瓷模具，如圖2所示，下半部為碗狀，上半部為無底碗形狀，兩者通過接觸面上的定位槽進行拼裝，將金屬本體等間距包覆在模具內部，所述球形模具內腔壁和金屬本體外表面的間隙處處為6mm，也即是說模具的內半徑比金屬本體的球半徑大1mm；
步驟五、將所述碳化鎢柔性布3剪成2mm×2mm的正方形填充在所述球形模具與金屬本體的間隙中並壓實，具體的，將上半部1和下半部2分開，在下半部底部外周放置有一圈6mm寬的碳化鎢柔性布用於金屬本體的定位，將金屬本體4通孔方向垂直放置在下半部底部中央，底部外表面與事先放置在下半部底部的碳化鎢柔性布貼合，從而使得金屬本體與模具內腔壁之間的距離保持為6mm，隨後往間隙中填入碳化鎢柔性布，邊填邊壓實，直到下半部完全填充完畢，隨後將上半部沿著接觸面上的定位槽進行拼裝，繼續往間隙中填充碳化鎢柔性布，直到碳化鎢柔性布完全填充間隙，最後用工具將碳化鎢柔性布壓實在間隙中，減小間隙內的空隙，使得碳化鎢柔性布均勻布置在金屬本體外周；
步驟六、將填充有碳化鎢柔性布的所述球形模具和金屬本體放入到真空釺焊爐內燒結，先將爐內抽真空至10-3Pa，燒結製得表面覆蓋有鎳基碳化鎢塗層球閥閥芯；其中，在燒結過程中，釺焊爐內的真空度至少在10-3Pa等級，具體燒結曲線為：以5℃/分鐘速度升溫至300℃並保持1小時，再以10℃/分鐘升溫至1050℃保溫1小時，而後再以15℃/分鐘速度降溫至室溫；
步驟七、將鎳基碳化鎢塗層進行磨削加工，製得耐磨及耐衝蝕球閥閥芯。
燒結過程中，聚四氟乙烯粉揮發，塗層收縮緻密，燒結後，6mm的碳化鎢柔性布收縮到5mm厚的鎳基碳化鎢塗層，均勻覆蓋在金屬本體的外表面，且不易脫落，從圖3中可以看出，鎳基碳化鎢塗層緻密度高，且鎳基碳化鎢塗層中碳化鎢顆粒分布均勻，粒徑在um等級，塗層內部無缺陷、表面無裂紋，氣孔率很小，熱效率更高，各個碳化鎢柔性布之間的間隙收縮緻密，與金屬本體很好的與閥芯本體結合成一體結構，不易開裂和脫落，體現了優異的耐磨及耐衝蝕綜合性能，且耐磨塗層厚、加工方便、製造成本低，有效提高了球閥的使用壽命和可靠性。
製備的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯表面光潔，無明顯缺陷，厚度為5mm。塗層橫斷面的電鏡照片如圖3所示，碳化鎢顆粒在鎳基材料中分布均勻，無顆粒團聚和氣孔出現。製備的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯表現出優異的耐磨合耐衝蝕的綜合機械性能，其中耐磨損性能是304不鏽鋼球閥閥芯的400倍，是表面熱噴塗Ni55材料的2倍。耐衝蝕性能是表面通過超音速噴塗碳化鎢塗層的1.5倍。可見，本發明的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯大幅提高了球閥在磨損和衝蝕工況下服役的壽命和可靠性。
由上所述，本發明的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯本體是金屬，金屬外表面為鎳基碳化鎢塗層，金屬本體和鎳基碳化鎢塗層的界面上加工有正方鋸齒形凹槽，以增強鎳基碳化鎢塗層與金屬本體的結合力。該耐磨及耐衝蝕球閥閥芯是將一個可拆卸的球形陶瓷模具包覆在金屬球閥閥芯外，將碳化鎢柔性布填充在陶瓷模具與金屬球閥閥芯的間隙中，採用真空釺焊工藝使碳化鎢柔性布在金屬球閥外表面形成鎳基碳化鎢塗層，然後脫除球形陶瓷模具再經過簡單的磨削加工最終製得耐磨及耐衝蝕球閥閥芯。本發明提供的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯具有優異的耐磨及耐衝蝕綜合性能、耐磨塗層厚、加工方便、製造成本低。
本發明製備的得到的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯，鎳基碳化鎢塗層中碳化鎢顆粒分布均勻，塗層內部無缺陷、表面無裂紋，很好的與閥芯本體結合成一體結構，結合強度達到375MPa，且金屬本體和鎳基碳化鎢塗層的界面上加工有正方鋸齒形凹槽，以增強鎳基碳化鎢塗層與金屬本體的結合力，塗層與閥芯本體不易脫落；進一步的，本發明製備的得到的耐磨及耐衝蝕球閥閥芯加工工藝簡單、設備投資低、製造成本低，易於推廣。
儘管本發明的實施方案已公開如上，但其並不僅僅限於說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用於各種適合本發明的領域，對於熟悉本領域的人員而言，可容易地實現另外的修改，因此在不背離權利要求及等同範圍所限定的一般概念下，本發明並不限於特定的細節和這裡示出與描述的圖例。