一种硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金属表面硬化处理技术领域，具体设及一种对硬密封球阀密封副的表 面硬化处理方法。
【背景技术】
[0002] 硬密封球阀是指球阀密封副（即球体密封面与阀座密封面）的材料配对为金属对 金属的球阀。其中，球体和阀座作为硬密封球阀的核屯、部件，一旦两者之间组成的密封副失 效将导致硬密封球阀的使用寿命终止，而球体和阀座之间的磨损、划伤和诱蚀是引起两者 组成的密封副失效的主要原因。因此，提高硬密封球阀中球体和阀座两者之间的硬度和耐 磨性是提高硬密封球阀使用寿命的重要途径。
[0003] 目前，提高硬密封球阀密封副的硬度和耐磨性主要依靠对球体和阀座的表面处 理，其中最常规的方式为氮化热处理。通过氮化热处理在球体和阀座的表面各自形成一层 0.1~0.3mm的氮化层，从而提高其表面的硬度和耐磨性。但是氮化热处理后的球体和阀座 的表面耐蚀性较差，容易产生诱蚀。而且由于氮化热处理的溫度高、时间长，极易引起球体 和阀座的外形尺寸变化，此时需要对球体和阀座的外形尺寸进行修整，保证两者的配合尺 寸。但是，当外形尺寸变化较大时，对球体和阀座的外形尺寸修整将导致氮化层厚度减小甚 至消失，从而使表面硬度大大减低，缩短了硬密封球阀的使用寿命。
【发明内容】
[0004] 为了解决硬密封球阀密封副在采用常规表面硬化处理后，无法同时满足硬度、耐 磨性和耐蚀性的问题，本发明提出了一种全新的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法。 通过采用全新的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，使球体和阀座的配合表面形成一 层具有耐磨、耐蚀W及高硬度的复合硬化层，从而提高硬密封球阀的使用寿命。
[0005] 本发明的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法:首先对球体和阀座进行喷焊儀 基合金的表面硬化处理，形成硬度为550~750HV的硬化层;然后对完成喷焊儀基合金的表 面硬化处理的球体和阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理，使所述球体和所述阀座的最 终表面硬度达到1400~1800HV。
[0006] 优选地，所述球体和所述阀座首先通过喷焊不同成分的儀基合金，使两者之间产 生50~150HV的表面硬度差，再通过物理气相沉积的表面硬化处理将球体和阀座之间的表 面硬度差最终控制在150~250HV。
[0007] 进一步优选地，所述球体和所述阀座喷焊的不同儀基合金可W为M65和M60， Ni62和M55，Ni60和M55中的任意一组。
[0008] 优选地，所述球体和所述阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理时，表面涂层介 质选用CrN,提高球体和阀座的耐磨和抗蚀性能。
[0009] 进一步优选地，所述球体和所述阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理时，溫度 在300~350°C，时间为化，硬化层厚度控制为3~如m。
[0010] 优选地，本发明还包括对所述球体和所述阀座进行研磨处理，所述研磨处理在所 述喷焊儀基合金的表面硬化处理和所述物理气相沉积的表面硬化处理之间进行，对球体和 阀座的表面进行尺寸修整和提高光洁度。
[0011] 进一步优选地，所述球体和所述阀座完成表面研磨处理后，表面粗糖度^ RO.祉m， 从而降低球体与阀座之间的摩擦系数，减小摩擦力。
[0012] 进一步优选地，所述球体和所述阀座完成表面研磨处理后，对所述球体和所述阀 座表面进行清洁处理。
[0013] 优选地，所述球体和所述阀座采用相同的基体材质，提高加工效率，降低加工成 本。
[0014] 进一步优选地，所述球体和所述阀座的基体材质选用不诱钢。
[0015] 与常规硬密封球阀密封副的表面硬化处理相比，本发明的表面硬化处理产生了 W 下有益效果：
[0016] 1、本发明通过采用喷焊儀基合金和物理气相沉积的复合式表面硬化处理，使球体 和阀座的表面首先形成一层硬度为550~750HV的儀基合金硬化层，再W该儀基合金硬化层 为基础，通过物理气相沉积的处理方式，在球体和阀座表面最终形成一层硬度达到1400~ 1800HV并且具有耐蚀性的复合硬化层。从而同时满足球体和阀座在工作过程中对硬度、耐 磨性W及耐蚀性的要求，达到提高硬密封球阀使用寿命的效果。
[0017] 2、本发明通过进一步对球体和阀座进行差异式处理，即通过对球体和阀座喷焊不 同成分的儀基合金，使两者之间形成一个50~150HV的表面硬度差，并且W该硬度差为基础 进行物理气相沉积处理后，在球体与阀座之间最终形成一个150~250HV的表面硬度差。该 表面硬度差的存在，对球体和阀座之间的摩擦特性进行了改善，使球体与阀座之间的耐磨 性能得到提升，从而提高了球体与阀座的磨损寿命，进而提高了球阀的使用寿命。
【具体实施方式】
[0018] 本发明通过对硬密封球阀密封副的常规表面硬化处理方法的改进，使球体和阀座 的表面可W获得耐磨、耐蚀W及高硬度的复合硬化层，从而提高球阀的使用寿命。本发明的 具体步骤如下：
[0019] 步骤1，准备工作。根据加工工艺的要求，完成对球体和阀座的机械加工，并对其表 面进行必要的清洁和修整工作。
[0020] 步骤2,喷焊儀基合金的表面硬化处理。对经过表面清洁和修整的球体和阀座进行 喷焊儀基合金的表面硬化处理，使球体和阀座的表面分别形成一层儀基合金硬化层，该硬 化层的硬度在550~750HV之间。并且根据球体和阀座的尺寸要求，通过控制喷焊儀基合金 的时间对硬化层的厚度进行适当调整，W便后续步骤的处理。通过采用喷焊的表面硬化处 理方式完成对球体和阀座的初步硬化处理，可W避免采用常规化学热处理时在球体和阀座 表面形成硬化层厚度浅且不均的问题，提高了加工的效率和产品的合格率。此外，根据实际 加工情况W及对球体和阀座的要求，也可W采用堆焊儀基合金的表面硬化处理方式，形成 一层厚度可控且硬度在550~750HV的硬化层。
[0021] 步骤3,研磨和清洁处理。对完成喷焊儀基合金的球体和阀座进行研磨处理，消除 由于步骤2的表面硬化处理对球体和阀座的外形尺寸所引起的变化。本发明通过对球体和 阀座的匹配研磨，不仅可W提高球体和阀座的外形尺寸精度，而且还可W提高两者之间的 配合精度，进而满足硬密封球阀对密封性能的要求。球体和阀座完成研磨后还需要进行必 要的清洁处理，将残留的磨料清除干净，保证后续处理的效果。根据使用要求，将球体和阀 座研磨后的表面粗糖度控制在0.如mW内，W降低球体和阀座之间的摩擦系数，减小摩擦 力。
[0022] 步骤4,物理气相沉积的表面硬化处理。对通过步骤3的匹配研磨和清洁处理后的 球体和阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理，根据球阀使用工况的不同，通过选用不同 的涂层介质，使球体和阀座表面覆盖一层硬度高、耐蚀性强W及化学性能稳定的复合硬化 层。其中选用涂层介质CrN,进行物理气相沉积的表面硬化处理时，溫度为300~350°C，时间 为化，厚度为3~扣m，硬度达到1400~1800HV。还可W选择其他涂层介质，例如金属氮化物 TiN,金属碳化物TiC或者金属碳氮化合物TiCN,从而满足球阀对硬度、耐蚀性W及高溫高压 的不同性能要求。
[0023] 本发明通过对硬密封球阀密封副采用喷焊儀基合金和物理气相沉积的复合式表 面硬化处理，最终在球体和阀座的表面形成一层耐磨、耐蚀W及高硬度的复合硬化层，使球 阀同时满足对硬度、耐磨性和耐蚀性的要求，从而延长球阀的使用寿命。
[0024] 根据摩擦学理论，在摩擦接触过程中，粘着与切削两种机制共同存在。摩擦条件的 改变将改变其中之一所占的比重。对于切削机制本身，摩擦副双方硬度间的差别将影响粗 糖摩擦表面突出峰相互压入的深度及相互切削时切削阻力的大小，从而对摩擦副的摩擦特 性产生影响。
[0025] 进一步改进，本发明在进行喷焊儀基合金的表面硬化处理过程中，通过对球体和 阀座分别喷焊不同成分的儀基合金，使球体和阀座获得不同的表面硬度，并且产生一个50 ~150HV的表面硬度差，并W该硬度差为基础，使通过物理气相沉积的表面硬化处理后的球 体和阀座之间最终存在150~250HV的表面硬度差。在最终表面硬度差的作用下，对球体与 阀座之间组成的摩擦副的摩擦特性产生影响，降低球体和阀座之间的磨损，从而提高球阀 的密封性能和使用寿命。其中，最终表面硬度差既可W是球体硬度高于阀座硬度，也可W是 阀座硬度高于球体硬度。
[0026] 示例1，分别W不诱钢和45#钢作为基体，进行喷焊儀基合金和物理气相沉积的表 面硬化处理的试验。其中，进行物理气相沉积的表面硬化处理时选用&N作为涂层介质。下 表中M55指的是进行喷焊M55的表面硬化处理，PVD指的是进行物理气相沉积的表面硬化 处理。
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[0029] W硬度为200HV的不诱钢为基体时，对表面喷焊Ni55的处理后，表面硬化层厚度为 1033皿，硬度达到542HV，再进行物理气相沉积处理，溫度为315°C，时间为化，锻层厚度为 4.76皿，此时表面最终硬度提升到1433HV;对表面喷焊M65的处理后，表面硬化层厚度为 95化m，硬度达到710HV，再进行物理气相沉积处理，溫度为322 °C，时间为化，锻层厚度为 4.54皿，此时表面硬度最终提升到1746^。^硬度为2501^的45#钢为基体时，对表面喷焊 Ni55的处理后，表面硬化层厚度为863WI1，硬度达到563HV，再进行物理气相沉积，溫度为320 °C，时间为化，锻层厚度为4.57皿，此时表面硬度最终提升到1480^;对表面喷焊化65的处 理后，表面硬化层厚度为854曲1，硬度达到731HV，再进行表面物理气相沉积处理，溫度为308 °C，时间为化，锻层厚度为4.55皿，此时表面硬度最终提升到1771HV。
[0030] 本示例通过对基体进行喷焊儀基合金和物理气相沉积的复合表面硬化处理，在基 体表面最终产生一层硬度达到1400~1800HV的硬化层，并且由于化N涂层的作用使硬化层 同时具有了较强的耐磨性和耐蚀性。本示例中进行物理气相沉积的表面硬化处理时选用的 涂层介质是CrN,也可W根据球阀的使用工况选用其他涂层介质，例如金属氮化物TiN,金属 碳化物TiC或者金属碳氮化合物TiCN。
[0031]示例2, W实际生产硬密封球阀使用最多的材质不诱钢作为基体，对球体和阀座进 行喷焊不同成分儀基合金的表面硬化处理和选用&N涂层介质进行物理气相沉积的表面硬 化处理，并将处理后的球体和阀座组装成球阀进行开关测试试验。
[00创试验参数:介质为干燥空气，介质压力为5MPa，介质溫度为20~30°C，开关频率为5 次/分钟。其中开关次数是指将处理后的球体和阀座组装成球阀进行开关测试，W球阀不出 现空气泄漏为标准记录开关操作的次数。
[0033]
[0034] 球体和阀座采用M60+PVD与M55+PVD的配对处理时，球体表面硬度为1610HV，阀 座表面硬度为1433HV，此时存在177HV的硬度差，开关试验次数达到1243次远远优于采用 Ni60与M55、Ni60与M55+PVDW及Ni60+PVD与M55的S组配对处理效果；同样，当球体与阀 座采用M62+PVD与M55+PVD的配对处理时，球体表面硬度为1718HV，阀座表面硬度为 1463HV，此时存在255HV的硬度差，开关试验次数达到1336次；当球体与阀座采用M65+PVD 与M60+PVD的配对处理时，球体表面硬度为1762HV，阀座表面硬度为1605HV，此时存在 157HV的硬度差，开关试验次数达到1432次。
[0035] 本示例通过对采用相同基体不诱钢的球体与阀座进行喷焊不同成份的儀基合金 的表面硬化处理和物理气相沉积的表面硬化处理，并将配对的球体与阀座之间的硬度差最 终控制在150~250HV，使球体与阀座之间的磨损达到最佳效果，从而提高了球阀的使用寿 命D
【主权项】
1. 一种硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，所述硬密封球阀密封副由球体和阀座 构成，其特征在于，首先对所述球体和所述阀座进行喷焊镍基合金的表面硬化处理，形成硬 度为550~750HV的硬化层;然后对完成喷焊镍基合金的表面硬化处理的球体和阀座进行物 理气相沉积的表面硬化处理，使所述球体和所述阀座的最终表面硬度达到1400~1800HV。2. 根据权利要求1所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于，所述球 体和所述阀座首先通过喷焊不同成分的镍基合金，使两者之间产生50~150HV的表面硬度 差，再通过物理气相沉积的表面硬化处理将球体和阀座之间的表面硬度差最终控制在150 ~250HV。3. 根据权利要求2所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于，所述球 体和所述阀座喷焊的不同镍基合金可以为M65和Ni60，Ni62和Ni55，Ni60和M55中的任意 一组。4. 根据权利要求1-3中任意一项所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特 征在于，所述球体和所述阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理时，表面涂层介质选用 CrN〇5. 根据权利要求4所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于，所述球 体和所述阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理时，温度在300~350°C，时间为3h，硬化层 厚度为3~5μηι。6. 根据权利要求1-3中任意一项所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特 征在于，还包括对所述球体和所述阀座进行研磨处理，所述研磨处理在所述喷焊镍基合金 的表面硬化处理和所述物理气相沉积的表面硬化处理之间进行。7. 根据权利要求6所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于，所述球 体和所述阀座完成表面研磨处理后，表面粗糙度< R0.8μπι。8. 根据权利要求6所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于，所述球 体和所述阀座完成表面研磨处理后，对所述球体和所述阀座的表面进行清洁处理。9. 根据权利要求1-3中任意一项所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特 征在于，所述球体和所述阀座采用相同的基体材质。10. 根据权利要求9所述的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，其特征在于，所述 球体和所述阀座的基体材质选用不锈钢。
【专利摘要】本发明属于金属表面硬化处理技术领域。为了解决硬密封球阀密封副在采用常规表面硬化处理后，无法同时满足硬度、耐磨性和耐蚀性的问题，本发明提出了一种全新的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法。该方法首先对球体和阀座进行喷焊镍基合金的表面硬化处理，形成硬度为550～750HV的硬化层；然后对完成喷焊镍基合金的球体和阀座进行物理气相沉积的表面硬化处理，使所述球体和所述阀座的最终表面硬度达到1400～1800HV。通过采用本发明的硬密封球阀密封副的表面硬化处理方法，使阀体和阀座的配合表面形成一层具有耐磨、耐蚀以及高硬度的复合硬化层，从而提高硬密封球阀的使用寿命。
【IPC分类】C23C28/00, C23C14/00, C23C4/06, C23C14/06
【公开号】CN105714292
【申请号】CN201610231094
【发明人】曹驰, 杨国来, 陈志林, 杨瑞成, 牟鑫斌, 陈冬武, 张银明, 陈碧碧, 徐树深
【申请人】温州兰理工科技园有限公司, 兰州理工大学温州泵阀工程研究院