耐磨及耐冲蚀的球阀阀芯及其制造方法与流程

本发明涉及阀门技术领域，更具体地说，本发明涉及一种耐磨及耐冲蚀的球阀阀芯及其制造方法。

背景技术：

金属硬密封球阀材料一般为碳钢或不锈钢，由于材料本身的限制，在存在强磨损和强冲蚀工况下球阀阀芯常常会因为磨损和冲蚀造成失效。采用表面强化技术对阀芯进行表面改性，提高阀芯耐冲蚀性能，是提高金属硬密封球阀使用寿命和可靠性的重要方法。

但传统耐磨涂层工艺主要包括喷焊、堆焊、热喷涂涂。喷焊所适用材料范围较窄，基体材料变形严重，喷焊层的成分与原始成分有一定差异。堆焊工艺局部的高温会导致受热不均匀，温度梯度大，容易引起较大焊接残余应力及变形，焊接涂层会局部开裂甚至形成贯穿裂纹，导致涂层脱落。热喷涂的涂层厚度在0.2～0.6mm，涂层与基体结合力较低，孔隙率较高，热效率低，操作环境较差。可见，传统耐磨涂层技术亟待改进以便制备出高性能的耐磨、耐冲蚀涂层的球阀阀芯。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种耐磨及耐冲蚀的球阀阀芯及其制造方法，采用真空钎焊工艺使碳化钨柔性布在金属球阀外表面形成镍基碳化钨涂层，然后脱除球形陶瓷模具再经过简单的磨削加工最终制得耐磨及耐冲蚀球阀阀芯，以提高球阀的使用寿命和可靠性。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种耐磨及耐冲蚀的球阀阀芯，包括：

金属本体，其球形外表面上间隔开设有若干条锯齿形凹槽；

镍基碳化钨涂层，其均匀覆盖在所述金属本体的球形外表面，所述镍基碳化钨涂层的厚度为3mm～6mm；

其中，所述凹槽由所述镍基碳化钨涂层完全填充，所述镍基碳化钨涂层中包含有48.83wt%～73.13wt%的碳化钨、26.87wt%～51.17wt%的镍、1.19wt%～3.66wt%的铬、0.59wt%～2.19wt%的硼、0.91wt%～2.56wt%的硅以及0.59wt%～2.19wt%的铁。

优选的，所述镍基碳化钨涂层由59.8wt%的碳化钨粉末、33.77wt%的镍粉、2.41wt%的铬粉、1.21wt%的硼粉、1.6wt%的硅粉以及1.21wt%的铁粉制成，所述镍基碳化钨涂层的厚度为5mm。

优选的，所述凹槽为正方锯齿波结构，相邻锯齿间距为2.5mm～3.0mm，相邻两条所述凹槽的间距为1.5mm～2.7mm，所述凹槽的宽度为0.2mm～0.8mm，所述凹槽的深度为0.2mm～0.7mm。

优选的，若干条所述凹槽等间距平行设置，每一条所述凹槽为首尾封闭的锯齿波结构，所述凹槽与所述金属本体的通孔同心设置。

优选的，所述凹槽的宽度为0.5mm，所述凹槽的相邻锯齿间距2.8mm，相邻两条平行凹槽的间距为2mm，所述凹槽深度为0.5mm。

优选的，所述凹槽内壁上设置有若干凸起，所述凸起的高度在0.03mm～0.15mm。

优选的，包括以下步骤：

步骤一、按质量百分比称取碳化钨粉末48.83wt%～73.13wt%、镍粉23.59wt%～40.57wt%、铬粉1.19wt%～3.66wt%、硼粉0.59wt%～2.19wt%、硅粉0.91wt%～2.56wt%、铁粉0.59wt%～2.19wt%，将各原料混合均匀；

步骤二、按原料混合粉末总质量的1.39wt%～2.08wt%称取聚四氟乙烯粉末加入原料混合粉末中混合均匀，将混合后的粉末压制成碳化钨柔性布；

步骤三、将阀芯的金属本体表面进行喷砂和去油处理，并在金属本体表面间隔加工出若干条锯齿形凹槽；

步骤四、将金属本体同心放置在球形模具中，所述球形模具内腔壁和金属本体外表面的间隙为6mm；

步骤五、将所述碳化钨柔性布剪成2mm×2mm的正方形填充在所述球形模具与金属本体的间隙中并压实；

步骤六、将填充有碳化钨柔性布的所述球形模具和金属本体放置到真空钎焊炉内烧结，制得表面覆盖有镍基碳化钨涂层的球阀阀芯；其中，钎焊炉内的真空度至少在10^-3Pa等级，烧结曲线为：然后以5℃/分钟～10℃/分钟的速度升温至200℃～400℃并保持0.5～1小时，再以10℃/分钟～15℃/分钟的速度升温至1000℃～1100℃保温0.5～1小时，然后再以10℃/分钟～20℃/分钟的速度降温至室温；

步骤七、将镍基碳化钨涂层进行磨削加工。

优选的，原料混合粉末中含碳化钨粉末59.8wt%、镍粉33.77wt%、铬粉2.41wt%、硼粉1.21wt%、硅粉1.6wt%以及铁粉1.21wt%，所述聚四氟乙烯粉末的添加量为原料总质量的1.73wt%，所述碳化钨粉末能过240目筛。

优选的，所述凹槽为正方锯齿波结构，相邻锯齿间距为2.5mm～3.0mm，相邻两条所述凹槽的间距为1.5mm～2.7mm，所述凹槽的宽度为0.2mm～0.8mm，所述凹槽的深度为0.2mm～0.7mm。

优选的，所述球形模具由上半部和下半部拼装而成的陶瓷模具，下半部为碗状，上半部为无底碗形状。本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明制备的得到的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯，镍基碳化钨涂层的厚度为5mm，远超通过超音速喷涂的耐磨涂层0.2～0.3mm的厚度，且镍基碳化钨涂层中碳化钨颗粒分布均匀，涂层内部无缺陷、表面无裂纹，很好的与阀芯本体结合成一体结构；

2、耐磨合耐冲蚀的综合机械性能优异，其中耐磨损性能是304不锈钢球阀阀芯的400倍，是表面热喷涂Ni55材料的2倍，耐冲蚀性能是表面通过超音速喷涂碳化钨涂层的1.5倍；

3、涂层与阀芯本体的结合为冶金结合，结合强度达到375MPa，且金属本体和镍基碳化钨涂层的界面上加工有正方锯齿形凹槽，以增强镍基碳化钨涂层与金属本体的结合力，涂层与阀芯本体不易脱落；

4、本发明制备的得到的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯加工工艺简单、设备投资低、制造成本低。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1 为金属本体侧视图；

图2为填充有碳化钨柔性布的球形模具和金属本体的剖视图；

图3为镍基碳化钨涂层横断面的电镜图；

图4为耐磨及耐冲蚀球阀阀芯的制造方法流程示意图；

以上附图中： 1：球形模具上半部，2：球形模具下半部，3、碳化钨柔性布：4、金属本体，41、凹槽。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1和3所示，一种实施例中，耐磨及耐冲蚀的球阀阀芯包括金属本体和镍基碳化钨涂层，其中：

金属本体4，其球形外表面上间隔开设有若干条锯齿形凹槽41，所述金属本体的轴向开设有用于导流的通孔，本实施例中所述凹槽41为正方锯齿波结构，可以理解的是凹槽可以是其他形状的锯齿波结构，比如流线型、鱼鳞型等，如图1所示，同一条凹槽的折弯角为90°，相邻锯齿间距L2为2.5mm～3.0mm，优选的为2.8mm，相邻两条所述凹槽的间距L3为1.5mm～2.7mm，优选的为2mm，所述凹槽的宽度L1为0.2mm～0.8mm，优选的为0.5mm，所述凹槽的深度为0.2mm～0.7mm，优选的为0.5mm；

镍基碳化钨涂层，其均匀覆盖在所述金属本体4的球形外表面，且将所述凹槽完全填充，镍基碳化钨涂层的耐磨合耐冲蚀的综合机械性能优异，其中耐磨损性能是304不锈钢球阀阀芯的400倍，是表面热喷涂Ni55材料的2倍，耐冲蚀性能是表面通过超音速喷涂碳化钨涂层的1.5倍；所述镍基碳化钨涂层的厚度为3mm～6mm，优选镍基碳化钨涂层的厚度为5mm，远超通过超音速喷涂的耐磨涂层0.2～0.3mm的厚度，且镍基碳化钨涂层中碳化钨颗粒分布均匀，如图3所示，粒径在um等级，涂层致密度高，涂层内部无缺陷、表面无裂纹，气孔率很小，从而很好的与阀芯本体结合成一体结构，不易脱落，体现了优异的耐磨及耐冲蚀综合性能，且耐磨涂层厚、加工方便、制造成本低，有效提高了球阀的使用寿命和可靠性。

在金属本体和镍基碳化钨涂层的界面上利用电火花加工形成正方锯齿形凹槽，增加了碳化钨涂层与金属本体的接触面积，以增强碳化钨涂层与金属本体的结合力，同时，涂层与阀芯本体的结合为冶金结合，结合强度达到375MPa，结合金属本体和镍基碳化钨涂层界面上的正方锯齿形凹槽，进一步增强镍基碳化钨涂层与金属本体的结合力，涂层与阀芯本体不易脱落。

另一种实施例中，所述镍基碳化钨涂层由48.83wt%～73.13wt%的碳化钨、26.87wt%～51.17wt%的镍、1.19wt%～3.66wt%的铬、0.59wt%～2.19wt%的硼、0.91wt%～2.56wt%的硅以及0.59wt%～2.19wt%的铁制成，本实施例中，具体的，所述镍基碳化钨涂层由59.8wt%的碳化钨粉末、33.77wt%的镍粉、2.41wt%的铬粉、1.21wt%的硼粉、1.6wt%的硅粉以及1.21wt%的铁粉制成，成型后，所述镍基碳化钨涂层的厚度为5mm，该原料配比的镍基碳化钨涂层具有超高强度的耐磨及耐冲蚀性能，从而对阀芯表面进行改性，使得阀芯具有超高的耐磨及耐冲蚀性能，以增强使用寿命和可靠性。

另一种实施例中，若干条所述凹槽等间距平行设置，如图1所示，每一条所述凹槽为首尾封闭的锯齿波结构，且所述凹槽与所述金属本体的通孔同心设置，如地球纬度线一样均匀开设在金属本体球形外表上，增加凹槽的覆盖面积，同时当所述镍基碳化钨涂层与金属本体结合时，所述镍基碳化钨涂层通过凹槽与金属本体有更多的接触面，以提高结合强度，同时，各条凹槽均匀布置在球体表面，所述镍基碳化钨涂层与金属本体的结合力更加均衡的布置在金属本体上，从而所述镍基碳化钨涂层与金属本体均衡的结合，避免出现局部的脱落。

另一种实施例中，所述凹槽内壁上设置有若干凸起，也就是在开槽时，尽量将槽壁开成毛糙面，从而在槽面上布满有凸起，所述凸起的高度分布在0.03mm～0.15mm，所述镍基碳化钨涂层完全填充在凹槽内，以进一步增加所述镍基碳化钨涂层与凹槽的结合力，因为槽壁越光滑，所述镍基碳化钨涂层与凹槽的结合力越小，还是容易整体脱落，槽壁上保留有凸起，则很好的解决了这个问题，提高了结合强度。

一种耐磨及耐冲蚀球阀阀芯的制造方法，如图4所示，包括以下步骤：

步骤一、按质量百分比称取碳化钨粉末48.83wt%～73.13wt%、镍粉23.59wt%～40.57wt%、铬粉1.19wt%～3.66wt%、硼粉0.59wt%～2.19wt%、硅粉0.91wt%～2.56wt%、铁粉0.59wt%～2.19wt%，所述碳化钨粉末能过240目筛，本实施例中，原料混合粉末中含碳化钨粉末59.8wt%、镍粉33.77wt%、铬粉2.41wt%、硼粉1.21wt%、硅粉1.6wt%以及铁粉1.21wt%，将各原料混合均匀待用；

步骤二、向原料混合粉末中添加入占原料混合粉末总质量1.73%的聚四氟乙烯粉末，将混合均匀后的粉末用辊压机辊压成型得到碳化钨柔性布3；

步骤三、将阀芯的金属本体表面进行喷砂和去油处理，而后通过电火花加工的方法在金属本体外表面加工出若干条所述凹槽，凹槽的宽度为0.5mm，相邻锯齿间距为2.8mm，相邻两条平行凹槽的间距为2mm，凹槽深度为0.5mm；

步骤四、将金属本体表面清洁后，同心放置在球形模具中心，金属本体的通孔纵向设置，所述球形模具由上半部1和下半部2拼装而成的陶瓷模具，如图2所示，下半部为碗状，上半部为无底碗形状，两者通过接触面上的定位槽进行拼装，将金属本体等间距包覆在模具内部，所述球形模具内腔壁和金属本体外表面的间隙处处为6mm，也即是说模具的内半径比金属本体的球半径大1mm；

步骤五、将所述碳化钨柔性布3剪成2mm×2mm的正方形填充在所述球形模具与金属本体的间隙中并压实，具体的，将上半部1和下半部2分开，在下半部底部外周放置有一圈6mm宽的碳化钨柔性布用于金属本体的定位，将金属本体4通孔方向垂直放置在下半部底部中央，底部外表面与事先放置在下半部底部的碳化钨柔性布贴合，从而使得金属本体与模具内腔壁之间的距离保持为6mm，随后往间隙中填入碳化钨柔性布，边填边压实，直到下半部完全填充完毕，随后将上半部沿着接触面上的定位槽进行拼装，继续往间隙中填充碳化钨柔性布，直到碳化钨柔性布完全填充间隙，最后用工具将碳化钨柔性布压实在间隙中，减小间隙内的空隙，使得碳化钨柔性布均匀布置在金属本体外周；

步骤六、将填充有碳化钨柔性布的所述球形模具和金属本体放入到真空钎焊炉内烧结，先将炉内抽真空至10^-3Pa，烧结制得表面覆盖有镍基碳化钨涂层球阀阀芯；其中，在烧结过程中，钎焊炉内的真空度至少在10^-3Pa等级，具体烧结曲线为：以5℃/分钟速度升温至300℃并保持1小时，再以10℃/分钟升温至1050℃保温1小时，而后再以15℃/分钟速度降温至室温；

步骤七、将镍基碳化钨涂层进行磨削加工，制得耐磨及耐冲蚀球阀阀芯。

烧结过程中，聚四氟乙烯粉挥发，涂层收缩致密，烧结后，6mm的碳化钨柔性布收缩到5mm厚的镍基碳化钨涂层，均匀覆盖在金属本体的外表面，且不易脱落，从图3中可以看出，镍基碳化钨涂层致密度高，且镍基碳化钨涂层中碳化钨颗粒分布均匀，粒径在um等级，涂层内部无缺陷、表面无裂纹，气孔率很小，热效率更高，各个碳化钨柔性布之间的间隙收缩致密，与金属本体很好的与阀芯本体结合成一体结构，不易开裂和脱落，体现了优异的耐磨及耐冲蚀综合性能，且耐磨涂层厚、加工方便、制造成本低，有效提高了球阀的使用寿命和可靠性。

制备的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯表面光洁，无明显缺陷，厚度为5mm。涂层横断面的电镜照片如图3所示，碳化钨颗粒在镍基材料中分布均匀，无颗粒团聚和气孔出现。制备的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯表现出优异的耐磨合耐冲蚀的综合机械性能，其中耐磨损性能是304不锈钢球阀阀芯的400倍，是表面热喷涂Ni55材料的2倍。耐冲蚀性能是表面通过超音速喷涂碳化钨涂层的1.5倍。可见，本发明的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯大幅提高了球阀在磨损和冲蚀工况下服役的寿命和可靠性。

由上所述，本发明的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯本体是金属，金属外表面为镍基碳化钨涂层，金属本体和镍基碳化钨涂层的界面上加工有正方锯齿形凹槽，以增强镍基碳化钨涂层与金属本体的结合力。该耐磨及耐冲蚀球阀阀芯是将一个可拆卸的球形陶瓷模具包覆在金属球阀阀芯外，将碳化钨柔性布填充在陶瓷模具与金属球阀阀芯的间隙中，采用真空钎焊工艺使碳化钨柔性布在金属球阀外表面形成镍基碳化钨涂层，然后脱除球形陶瓷模具再经过简单的磨削加工最终制得耐磨及耐冲蚀球阀阀芯。本发明提供的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯具有优异的耐磨及耐冲蚀综合性能、耐磨涂层厚、加工方便、制造成本低。

本发明制备的得到的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯，镍基碳化钨涂层中碳化钨颗粒分布均匀，涂层内部无缺陷、表面无裂纹，很好的与阀芯本体结合成一体结构，结合强度达到375MPa，且金属本体和镍基碳化钨涂层的界面上加工有正方锯齿形凹槽，以增强镍基碳化钨涂层与金属本体的结合力，涂层与阀芯本体不易脱落；进一步的，本发明制备的得到的耐磨及耐冲蚀球阀阀芯加工工艺简单、设备投资低、制造成本低，易于推广。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。