一种隔膜泵单向阀中的零件及其制造或修复方法与流程

本发明属于真空熔结零件表面处理技术领域，提供一种通过真空熔结在零件的工作表面附着合金层的零件制造或修复的方法，特别是提供用此方法修复隔膜泵单向阀中的零件的方法，还提供附着合金层的所述零件。

背景技术：

对于表面耐磨和抗疲劳性要求均较高的零件，常用在零件表面设置一层硬度较高的合金层的方法强化，对于损坏的零件，在修复或再制造中也常用这种方法，削去零件表面损坏的表层，再在零件表面附着一层合金层。附着合金层的方法通常是将合金粉末热熔而附着在零件表面上。

但是，实践中发现，不管对合金层中合金的配方如何设计调整，如何调整涂覆工艺条件，对于受到交变载荷的某些零件，例如隔膜泵的单向阀，尤其是其中的阀座和阀芯盘，还是会提前失效。隔膜泵是铝化工－氧化铝生产中最核心的输送设备，单向阀是隔膜泵的最主要的消耗备件，其使用寿命的长短，直接影响整个氧化铝生产工艺流程和产量。单向阀的阀芯盘和阀座在使用过程中不仅要承受高温、强碱的侵蚀，还要承受物料的冲刷磨损，在使用周期的后半段，由于阀橡胶密封面的磨损，会使得阀芯盘和阀座之间产生接触和碰撞，因此，阀芯盘和阀座还要承受一定的冲击疲劳。综上所述，阀芯盘、阀座的失效是几种破坏作用形式的交互作用的结果。为抵御这一交互作用，就要求单向阀的阀芯盘和阀座工作面除具备高硬度，高抗腐蚀性外，还要具备较高的抗冲击疲劳性能，即具有优良的综合机械性能。

作为隔膜泵单向阀，如寿命过短，造成非正常停机就会给氧化铝生产企业造成重大经济损失，且由于单向阀消耗量大，因此，制造该产品的材料消耗就大，现在绝大多数单向阀的阀芯盘和阀座材质为20crmnti或20crni，然后经渗碳后热处理，加工成为成品。也有厂家阀座选用gcr15或cr2等合金工具钢制作，如果单向阀仅使用一个周期就失效报废，那么每年材料的消耗数量是惊人的。

因此，现有技术中如何提高隔膜泵的单向阀中阀芯盘和阀座的使用寿命及修复失效后所述零件再循环使用就成为亟待解决的问题。

现有技术中对于提高零件表面耐磨、耐蚀，耐冲击、耐疲劳单一性能的手段是成熟的，通常采用在零件工作面上附着合金层，将强度、硬度或耐蚀性较高的合金粉末熔覆在工作表面上，而熔覆的方法有很多，如激光熔覆，等离子喷焊等等。但由于合金层结构的不足以及工艺限制，无法让零件的工作面实现既具备高硬度高耐磨性，同时又具备高的抗冲击疲劳性的复合性能。实际使用中发现，附着有单一耐磨性能高合金层的零件在使用一段时间后还是会出现裂纹及合金层剥落现象而提前失效，其最主要的原因就是原工件基体与合金层即合金硬化层硬度差大致使抗疲劳性能变差所致。

技术实现要素：

本发明的目的在于解决现有技术中零件表面附着了合金层后无法在获得高的耐磨性的同时又具有耐冲击疲劳性的问题，提供一种表面硬度和耐疲劳强度相结合的复合性能大大提高的隔膜泵单向阀中的零件。

本发明的另一个目的在于提供上述零件的制造或修复方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种隔膜泵单向阀中的零件，在钢制的该零件坯料的表面设置至少两层合金层，内层合金层的硬度低于外层合金层的硬度，最内层合金层的硬度等于或大于坯料的硬度，以使得各合金层的硬度与坯料之间形成硬度梯度；该坯料为零件毛坯或者是被修复的磨损失效的零件。

进一步地，最外层合金层的厚度大于内层合金层的厚度。

所述零件为阀座或阀芯盘。

一般而言，如果所述坯料工作面的硬度为洛氏硬度45以下，其上设置三层合金层；如果所述坯料工作面的硬度为洛氏硬度45-55，其上设置二层合金层。

如果所述坯料为通过毛坯加工制成的，通常毛坯使用35号钢，或20grmnti钢，或20grni钢，硬度较小，因此，在该坯料上设置三层合金层；如果所述坯料为修复磨损失效的零件，一般现有隔膜泵单向阀的阀座和阀芯盘，多使用工具钢，例如ggr15钢或gr2钢制作，硬度较大，因此，在该坯料上设置两层合金层。

更具体地，所述三层合金层的成分分别为：

第一层：c:0.3-0.4％；cr:8-12％；b:1.5-3.0％；si:2.5-4.0％；fe:9-11％；余量为ni(78.7-69.6％)；

第二层：c:0.3-0.6％；cr:11-15％；b:2.0-3.0％；si:3.0-4.5％；fe:5-17％；余量为ni(78.7-59.9％)；

第三层：c:0.7-1.7％；cr:15-19％；b:3.0-4.5％；si:4.0-5.5％；mo:2.5-5.0％；fe:5-17％；余量为ni(69.8-47.3％)。

所述两层合金层的成分分别为：

第一层：c:0.4-0.75％；cr:16-18％；b:2.5-3.5％；si:3.0-4.0％；fe≤5.0％；余量ni(73.1-68.75％)；

第二层：c:0.7-1.7％；cr:15-19％；b:3.0-4.5％；si:4.0-5.5％；mo:2.5-5.0％；fe:5-17％；余量为ni(69.8-47.3％)。

上述百分数为重量百分数。

本发明提供的隔膜泵单向阀中的零件表面合金层主要特点在于为多层合金层且与坯料形成硬度梯度。最外合金层硬度最大，提供所需要的硬度和耐磨性，内部的合金层硬度较低，与坯料基体的硬度较接近，降低了最外合金层与坯料基体硬度差，提高了工作面的耐冲击性能。

为了能够获得更好的综合机械性能，各层合金层的硬度优选为：

设置三层合金层的，各层的硬度分别为洛氏硬度：第一层38-42，第二层45-55，第三层58-62；或者，

设置两层合金层的，各层的硬度分别为洛氏硬度：第一层45-55，第二层58-62。

本发明提供的上述零件的制造或修复方法是包括如下步骤：

步骤1：零件毛坯或待维修零件粗加工成为坯料，粗加工至坯料的工作面达到要求的尺寸，所述工作面至少预留出合金层厚度及加工余量；

步骤2：配制各合金层的合金料；

步骤3：预制合金层，该合金层为至少两层，将各层合金料依序逐一设置在坯料的工作面上；

步骤4：真空熔结，将预制合金层的坯料装入真空炉中加热，使得各合金层固结在坯料的工作面上。

优选地，在步骤1中，工作面的表面粗糙度控制在ra5－7μm。工作面的表面粗糙度例如可以通过喷砂粗化处理达到要求。

对于待维修零件，在步骤1中，粗加工包括如下步骤：

去除已使用失效的工作面的疲劳层和渗碳层，加工至要求尺寸。在前面的基础上，如果零件工作面上有冲蚀沟、坑，要对冲蚀沟和/或坑用低碳钢焊条进行补焊，焊后加工至要求尺寸。

合金粉末的粒度过大不容易融化，过小容易过烧流淌。优选地，步骤2中的合金粉末的粒度为-140－+325目。

步骤2中，所使用的合金粉末的熔点为1050－1100℃为宜。

在步骤3中，择一地通过如下两种方法在所述坯料工作面上预制合金层：

其一，通过手工涂覆的方式将自熔性的所述合金粉末预置在坯料的工作面上，对于手工涂覆方式，在步骤2中增加一个步骤：将各层合金粉末中分别添加粘合剂混合制成合金料浆。

更进一步地，可以在每层合金料浆涂覆后增加一道烘干工序。

优选地，在步骤3中，通过手工涂覆合金料浆，涂覆后将零件放入烘箱，加热至70-90℃保温1－3小时烘干。需分三次涂覆，并分三次烘干。

其二，通过热喷涂的方式将自熔性的所述合金粉末喷涂预置在坯料的工作面上。

进一步地，在步骤2中，配制合金料浆中添加的粘合剂优选为松香油，其配比为：合金粉末为92-95％，松香油为5-8％；其中，松香油是0.5-2份重量的松香溶解在1-3份重量的松节油中制成的。

优选地，步骤3中，在工作面上设置合金层为三层，三层的合金成分如上所述，第一层，直接涂覆于坯料工作面基体上，涂覆厚度为0.2－0.3mm；第二层涂覆于第一层上，涂覆厚度为0.3－0.5mm；第三层涂覆于第二层上，涂覆厚度为3-3.5mm；或者，

在步骤3中，在所述坯料工作面上设置三层合金层，第1层合金粉末喷涂层厚度为0.2－0.3mm；第2层合金类粉末喷涂层厚度为0.2－0.3mm；第3层合金粉末喷涂层厚度为2.5－3mm。

上述两组合金层厚度可以分别是涂覆时的厚度和热喷涂时的厚度。

优选地，步骤3中，在所述坯料工作面上设置两层合金层，合金粉末的涂覆厚度分别为：第一层0.4－0.8mm；第二层为2－3.5mm。

更优选地，第一层0.5－0.8mm；第二层为3－3.5mm；或0.4－0.6mm；第2层厚度为2.5－3mm。

同样地，上述几组合金层厚度可以分别适用于涂覆时的厚度和热喷涂时的厚度。

优选地，在步骤4中，真空熔结的具体做法可以是：将涂覆好合金的零件装入真空炉中，抽真空至20-30pa开始加热，加热至1050－1080℃，保温5－30分钟，停止加热并开始冷却，零件随炉冷至300℃以下出炉。

加热温度的高低以及保温时间的长短影响到形成的合金层的性能，保温一是要使得合金层中的合金粉末受热均匀，而更重要的是，在保温和加热过程中，各层的元素可以互溶扩散，使得各层的界面不甚分明，这样，能够提高合金层之间以及合金层和坯料基体之间的结合强度。但如果保温时间过长，则互溶扩散程度太大，硬度梯度将减小或消失，达不到既能耐磨又能抗疲劳的综合机械性能。

如果是通过手工涂覆的工艺方法预制合金层的，在开始加热后，先加热至400-500℃时保温20-60分钟，然后继续加热至1050－1080℃。

手工涂覆的合金中含有粘合剂，在400-500℃保温是为了粘合剂充分挥发，否则易产生缺陷。

进一步地，从450℃加热至1050－1080℃时，真空度应不得高于20pa。控制真空度的原因是，在高温时，如果真空度过高会使cr元素蒸发，而达不到设计的硬度。

优选地，在步骤4中，停止加热后降温至890－860℃保温60－80分钟，通氮气冷却，以使零件在真空炉内完成淬火，淬透层达到4mm以上；冷却至200℃以下出炉，冷至室温后入回火炉回火。

优选地，所述氮气充入真空炉内压力应达到2mpa；

优选地，回火工艺为：加热至150－170℃保温2－2.5小时出炉空冷。

本发明通过在零件的工作面上设置多个合金层，从零件基体到最外层的合金层，形成一个硬度梯度，可以有效提高工作面的抗疲劳强度，另外，多个合金层，形成硬度梯度，还有利于最外一层最硬的合金层与基体的附着强度。因此，使用本发明提供的零件，用本发明提供的方法制造的零件，其使用寿命大大延长，现有技术中隔膜泵单向阀的阀座和阀芯盘的使用寿命只有几百小时，使用本发明提供的方法制造或修复的零件，使用寿命可达上千小时。而本发明提供的零件修复方法可以对已失效的零件进行修复再制造，使报废品循环再利用，每年将节省大量钢材，且对环保有巨大的贡献。同时，修复后的工件价格仅为新件的40－50％，使整个设备运行成本都有大幅降低。

下面通过附图和实施例对本发明做详细说明。

附图说明

图1为使用本发明提供的方法制作单向阀阀体的结构示意图。

图2为使用本发明提供的方法制作单向阀的阀芯盘的结构示意图。

图3为在阀芯盘的工作面上形成三层合金侧的结构示意图。

图4为在阀体的工作面上形成三层合金侧的结构示意图。

图5为修复阀体的工作面时形成两层合金层的结构示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，使用本发明提供的方法制造单向阀阀座1和阀芯盘2，毛坯材质选择20crni或25#、35#钢，经锻造阀座基体11或及阀芯盘基体21交货状态为完全退火或正火，预留粗加工余量单边5mm以上。

步骤1毛坯粗加工：粗加工至要求尺寸，非工作面单边预留加工余量，工作面加工至要求尺寸，预留合金工作层厚度2－2.5mm，并预留精加工余量0.3－0.5mm。

步骤2制作合金浆料：配制各合金层的合金料浆，将各层合金粉末分别添加粘合剂混合制成合金料浆；

配置三种自熔性合金粉末，成份为：

①第一层：c:0.3-0.4％；cr:8-12％；b:1.5-3.0％；si:2.5-4.0％；fe:9-11％；余量为ni(78.7-69.6％)；

②第二层：c:0.3-0.6％；cr:11-15％；b:2.0-3.0％；si:3.0-4.5％；fe:5-17％；余量为ni(78.7-40.1％)；

③第三层：c:0.7-1.7％；cr:15-19％；b:3.0-4.5％；si:4.0-5.5％；mo:2.5-5.0％；fe:5-17％；余量为ni(69.8-47.3％)。

合金粉末的粒度过大不容易融化，过小容易过烧流淌，因此，以上三种合金粉的粒度为-140－+325目，熔点1050－1100℃。三种合金粉末分别与粘合剂混合配置成料浆，粘合剂选用松香油(松香油是1份重量的松香溶解在2.5份重量的松节油中)，将93％的合金粉末与7％的松香油混合调制成料浆。

步骤3：预制合金层a，将各层料浆依序逐一设置在工作面上；

将调制好的料浆手工涂覆在经喷砂处理后的单向阀阀芯盘和阀座的工作面上，表面粗糙度在ra5－7μm(如图3所示)；第1层合金层a1，直接涂覆于毛坯工作面基体上，厚度为0.2－0.3mm；第2层合金层a2涂覆于第1层上，厚度为0.3－0.5mm；第3层合金层a3涂覆于第2层上，厚度为3-3.5mm；每涂好一层厚，就放入烘箱，加热至80℃保温1－3小时烘干。涂覆中需分三次涂覆，并分三次烘干。

也可以将通过热喷涂工艺预制合金层：选用与手工涂覆工艺相同成份的第1层、第2层及第3层的自熔性合金粉末，自熔性合金粉末粒度为-140－+250目；用氧－乙炔作为热源，依次将第1层→第2层→第3层的合金粉末，喷涂至经过喷砂粗化处理后的阀芯盘及阀座工作面上(参见图4)；第1层合金粉末喷涂层厚度为0.2－0.3mm；第2层合金类粉末喷涂层厚度为0.2－0.3mm；第3层合金粉末喷涂层厚度为2.5－3mm；喷好后须保温缓冷，以防涂层爆裂和剥落。

步骤4：真空熔结，将预制合金层的零件装入真空炉中，使得各层合金层固结在工作面上。

对于手工涂覆工艺预制合金层的真空熔结工艺：

将涂覆好合金的零件装入真空炉中，抽真空至30pa开始加热，加热至450℃时保温40分钟后继续加热至1050－1080℃，保温5－30分钟。从450℃加热至1050－1080℃时真空度应不得高于20pa，停止加热并开始冷却，零件随炉冷至300℃以下出炉。

对于热喷涂工艺预制合金层零件的真空熔结工艺：

将喷涂好合金的零件装入真空炉中，抽真空至30pa开始加热，加热至1050－1080℃，保温5－25分钟(加热过程中真空度不高于20pa)，停止加热后开始冷却，零件随炉冷至300℃以下出炉。

最后，还有一个步骤，即精加工：

零件熔结工艺完成后，根据要求磨削加工至要求尺寸和粗糙度，检验合格入库。

如图5所示为另一个实施例，是对于已损坏的阀座进行修复的例子。

阀芯盘、阀座原材质为20crmnti或20crni渗碳钢，

步骤1粗加工：车削去除已使用失效的阀芯盘和阀座的工作面的疲劳层和渗碳层，对较深的冲蚀沟和坑用低碳钢焊条进行补焊，焊后车削加工至要求尺寸；其他工序与前述实施例相同。

另一个修复的实施例，其中阀座原材质为gcr15或cr2工具钢的修复(再制造)工艺：

步骤1粗加工：将已使用失效的阀座进行完全退火处理，然后车削去除工作层的疲劳层，工作面加工至要求尺寸；

步骤2制作合金浆料：配制各合金层的合金料浆，将各层合金粉末分别添加粘合剂混合制成合金料浆；

配置两种自熔性合金粉末，成份为：

第一层：c:0.4-0.75％；cr:16-18％；b:2.5-3.5％；si:3.0-4.0％；fe≤5.0％；余量ni(73.1-68.75％)；

第二层：c:0.7-1.7％；cr:15-19％；b:3.0-4.5％；si:4.0-5.5％；mo:2.5-5.0％；fe:5-17％；余量为ni(69.8-47.3％)。

步骤3预置合金层：

采用手工涂覆工艺，涂覆层厚度为：第1层0.5－0.8mm；第2层为3－3.5mm；

采用热喷涂工艺：选用与手工涂覆工艺相同成份的第1层和第2层的自熔性合金粉末，粒度为-140－+250目，用氧－乙炔作为热源，依次将第1层→第2层的合金粉末喷涂至喷砂粗化处理后的阀座工作面上(参见图5)；第1层厚度为0.4－0.6mm；第2层厚度为2.5－3mm；喷好后须保温缓冷以防涂层爆裂和剥落；

步骤4真空熔结工艺：

手工涂覆工艺预制合金层零件的真空熔结工艺：

将喷涂好合金的零件装入真空炉中，抽真空至30pa开始加热，加热至1050－1080℃，保温5－25分钟，加热过程中真空度不高于20pa，停止加热后开始冷却，零件随炉冷至300℃以下出炉；

热喷涂工艺预制合金层零件的真空熔结工艺：与前述手工涂覆的真空熔结工艺不同处为：加热至1080－1100℃保温5－30分钟，从450℃加热至1050－1080℃时真空度应不得高于20pa，停止加热后降温至890－860℃保温60－80分钟，通氮气冷却，并启动风机循环冷却，氮气充入真空炉内压力应达到2mpa，以使零件在真空炉内完成淬火，淬透层达到4mm以上；冷却至200℃以下出炉，冷至室温后入回火炉回火，回火工艺为：加热至150－170℃保温2－2.5小时出炉空冷。

后面同样有精加工步骤。

阀芯盘、阀座的失效是几种失效形式的交互作用的结果，为抵御这一交互作用，就要求单向阀的阀芯盘和阀座工作面除具备高硬度高耐磨，高抗腐蚀性能外还要具备较高的抗冲击疲劳性能，即具有优良的综合机械性能，根据这一原则，本发明设计了梯度硬化层来满足综合性能的要求。按本发明的真空熔结工艺熔结后，制造的单向阀阀芯盘和阀座工作面硬化层，以三层合金层为例，第3层即最外层工作面直接接触物料，阀芯盘和阀座，在使用后半周期会有互相接触和碰撞，本发明提供的最外层工作面即第三层合金层硬度为hrc57－62；第2层硬度为hrc45－55；第1层硬度可达到hrc35－42；硬化层硬度从外到内依次递减，第1层的硬度与基材接近，一方面提高了与基材的结合强度，另一方面提高了抗冲击疲劳性能。第3层的合金中加入了2.5－5％mo，使硬化层的线性膨胀系数降低至接近于基体的线性膨胀系数，从而降低了硬化层的开裂敏感性，提高了抗冲刺疲劳性能。

而修复基材为gcr15或cr2合金工具钢的阀座时，只设计了两层硬化层，是因为考虑硬化层第1层熔结后硬度与基材更加接近。另外为节能和降低成本，可在真空炉内完成热处理淬火，淬火后基材硬度可达hrc48－55，而第1层合金硬化层硬度hrc45－55，第2层(最外层)硬度可达hrc57－62，从而实现设计目标。运用本发明制造和修复的产品已在氧化铝企业实际上线应用，并已获用户企业认可。

现有技术中在所述零件表面形成一层硬度很高的合金层，其与基体硬度相比较，差距很大，好比鸡蛋，一层硬壳包裹一个软芯，非常容易开裂，因此，现有技术中单一成分合金硬化层的工件，使用寿命一般为585小时，而上述实施例中对于基体硬度较小的毛坯，设置了三层合金具备梯度硬化层的工件，内部与表面的硬度差缩小了，抗冲击、抗疲劳性能提高，不易开裂，而对于一般由工具钢制成的零件，基体的硬度较高，就设置了两层合金层，同时，中间层合金通过特别的工艺加工，其间的界面比较模糊，结合强度提高，所以合金层不易脱落，因此，使用寿命可以大大提高，用本发明的方法制成或修复的隔膜泵单向阀的阀座和阀芯盘，使用寿命提高一倍，可以高达1030小时。