本发明涉及一种属于城镇燃气输送管网配套设备，具体涉及一种燃气阀体及其制备方法。
背景技术：
燃气阀是一种新型的燃气管道工程的安全配套装置；用于截断、接通、调节管路中的气体，具有良好的控制特性和关闭密封性能；适用于城市煤气、液化石油气、天然气、氧气等多种燃气介质管路上。市场上常见的燃气阀主要由阀体调节杆、阀体、电磁阀等组成，其中阀体体积最大，一般由铝材浇注而成。阀体作为阀重要的组成部件，其质量、性能和使用过程中的安全性越来越引起人们的关注。阀体性能由阀体材质决定，阀体材质性能不佳，会造成阀体及密封的外漏或内漏，阀体综合性能、强韧度和强度无法满足使用要求甚至断裂，导致天然气介质泄漏引起爆炸。因此，为了提高阀体的质量，需要在设计时对燃气阀体的材料、制造等作出进一步改性。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种燃气阀体及其制备方法，在燃气阀体铝合金各组分间相互作用，及微弧氧化、热锻压下，制备的燃气阀体件具有较高的硬度，良好的韧性，以及高耐磨、高耐腐蚀性能。
为了达到本发明的一个目的，本发明采用以下技术方案：
一种燃气阀体，所述燃气阀体材料包括铝合金，所述铝合金由以下重量百分比组分组成：
c：0.03～0.12％，n：0.20～0.51％，b：0.45～0.62％，cr：13～18％，nb：1.8～4.2％，ti：1.1～3.2％，hf：0.38～0.85％，os：0.14～0.45％，cu：0.2～0.8％，mo：0.5～1.1％，余量为al。
nb和ti能够与c、n和b形成弥散分布的碳氮硼化合物，这些碳氮硼化合物可以发挥固溶强化效果，以间隙固溶体的形式熔入晶格结构中，从而产生了向其中引入应变，以强化间隙固溶体的作用；且因这些碳氮硼化合物熔点很高，故能在后续的制备过程中起外来晶核的作用，从而细化晶粒。
os和hf为高硬度元素，而b元素能够插入到os和hf密排六方结构中的间隙位置从而形成的硼化物，os和hf的硼化物属于高硬质相，其存在能够有效提高组织的强度。且hf具有很强的吸氢性，能起到净化铝成分的作用。很有意思的是，我们的实验发现，当os或hf在合金中单独存在时，对合金强度的提高没有显著帮助，而二者复合存在且hf含量大于os时，二者之间以及二者与其他元素之间的相互作用，使得合金材料的强度大幅度提高。
具有高强度和好的韧性的铝合金是最理想的。但是，实际上这两方面的性能是互相矛盾的，往往提高了强度，却降低了塑韧性，提高了塑韧性，强度又出现不足。本发明正是复合使用化学成分c、n、b、cr、os、hf、nb、ti、cu和mo，余量为al，通过严格控制每种元素的含量，使材料具有优异的强度、韧性、耐腐蚀性能等，综合性能优异。
作为优选，所述铝合金组分满足3≤(nb+ti)/(c+n+b)≤6。nb和ti与c、n和b的结合，可以有效抑制cr生成碳氮硼化合物，降低cr的碳氮硼化合物带来的韧性和强度降低的影响，因此nb和ti与c、n和b的比例需要严格控制，如果c、n和b含量过多，与nb和ti结合后，再与cr结合，会降低铝合金的性能。
作为优选，所述铝合金组分满足1≤(os+hf)/b≤2。os、hf和b的比例处于严格的范围，os和hf过多，会降低材料的韧性。
为了达到本发明的另一个目的，本发明采用以下技术方案：一种燃气阀体的制备方法，所述制备方法包括：将称量好的相应的中间合金体在惰性气体下加热至700～740℃进行熔化，加入熔化液总量0.3～1.0％变质剂处理5～10min，去除渣，降至650～700℃后进行浇铸，获得铸坯，铸坯进行微弧氧化，再进行热锻压，切边、冲孔、打磨、抛丸，得燃气阀体件。
作为优选，所述变质剂为ti：8～12％、zr：10～18％和yb：20～28％，余量为al。zr和yb性质活泼，易与熔液中的杂质元素形成化合物，大部分成为渣系被扒除，小部分成为异质核心，起细化碳化物和晶粒的作用；ti和yb易于在共晶碳化物表面吸附，从而有助于共晶碳化物细化和分散。使用本发明变质剂，有效净化熔液、细化组织，对提高冲击韧度有显著的效果。
作为优选，所述微弧氧化的电解液为磷酸钠10～20g/l，硅酸钠6～10g/l，氢氧化钠0.5～1.5g/l，钼酸钠10～15g/l，短切碳纤维0.7～1.2g/l，碳化硅晶须0.5～1.0g/l，聚乙烯3.0～6.0g/l。其中短切碳纤维的直径为30～100nm，长度为100～500μm，碳化硅晶须20～100nm。
理论而言，微弧氧化在铝合金表面生成的氧化膜具有耐磨和耐蚀等性能，然而现有技术中的膜表层(多孔层)疏松多孔，导致耐磨和耐蚀性能的提高不是很理想。本发明在电解液中加入碳纤维、碳化硅晶须和聚乙烯对氧化膜层进行掺杂，从而改善疏松层的性能。碳化硅晶须和短切碳纤维沉积在氧化膜表层孔内，膜表层的致密性增加，聚乙烯在微弧氧化过程中，通过膜表层渗入氧化膜中，同时将部分碳化硅晶须和短切碳纤维带入，碳化硅晶须和短切碳纤维均匀分散在氧化膜中，提高铝合金表面性能。
作为优选，所述微弧氧化的氧化温度为25～35℃，使用的电流密度为5a/dm2～13a/dm2，氧化时间为20min～30min。
作为优选，所述热锻压包括：将微弧氧化处理后的铝合金在微波高温炉中加热至850～1000℃，保温10～20min，移至预热至700～900℃的锻压机，在压力为55mn～65mn下锻造5～8min。
所述的微波高温炉频率为2.0～2.5ghz、功率为4.5～6kw，配置红外探测头来测量材料的温度，在熔化过程中通过手动调节微波功率来控制温度。微波能在短时间内达到加热效果，并且能均匀加热，此外，微波具有独特的微波效应，利用微波来加热微弧氧化处理后的铝合金，可使微弧氧化膜中的掺杂物分布更加均匀、相容性更好，同时铝合金组织在此加热过程中从粗大的柱状晶变成均匀细小的晶粒，铸坯的微观结构得到改善。
本发明燃气阀体的铝合金组分使材料具有优异的强度、韧性、耐腐蚀性能等，综合性能优异。
本发明的制备方法采用熔融、微弧氧化、热锻压，提高铝合金的强度和韧性，满足应用需要。
本发明的制备方法与本发明的化学成分配合使用，可以发挥化学成分的最佳性能，工艺简单，操作控制方便，质量稳定，生产效率高，生产环保，可大规模工业化生产。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述说明。如果无特殊说明，本发明的实施例中所采用的原料均为本领域常用的原料，实施例中所采用的方法，均为本领域的常规方法。
实施例1
本实施例的铝合金由以下重量百分比组分组成：
c：0.09％，n：0.32％，b：0.5％，cr：15％，nb：3.8％，ti：2.6％，hf：0.58％，os：0.17％，cu：0.5％，mo：0.7％，余量为al。
将称量好的中间体合金在惰性气体下加热至720℃进行熔化，加入熔化液总量0.7％变质剂(以变质剂质量计，变质剂为ti：10％、zr：17％和yb：25％，余量为al)处理7min，去除渣，降至680℃后进行浇铸，获得铸坯，铸坯进行微弧氧化，微弧氧化的氧化温度为25℃，使用的电流密度为8a/dm2，氧化时间为22min，微弧氧化的电解液为磷酸钠15g/l，硅酸钠8g/l，氢氧化钠1.0g/l，钼酸钠12g/l，短切碳纤维0.8g/l，碳化硅晶须0.6g/l，聚乙烯4.0g/l。铝合金传送至微波高温炉中加热至950℃，保温10min，移至预热至750℃的锻压机，在压力为60mnn下锻造6min，切边、冲孔、打磨、抛丸，得燃气阀体。
实施例2
本实施例的铝合金由以下重量百分比组分组成：
c：0.09％，n：0.32％，b：0.5％，cr：15％，nb：3.3％，ti：1.7％，hf：0.83％，os：0.42％，cu：0.5％，mo：0.7％，余量为al。
将称量好的中间体合金在惰性气体下加热至720℃进行熔化，加入熔化液总量0.7％变质剂(以变质剂质量计，变质剂为ti：10％、zr：17％和yb：25％，余量为al)处理7min，去除渣，降至680℃后进行浇铸，获得铸坯，铸坯进行微弧氧化，微弧氧化的氧化温度为25℃，使用的电流密度为8a/dm2，氧化时间为22min，微弧氧化的电解液为磷酸钠15g/l，硅酸钠8g/l，氢氧化钠1.0g/l，钼酸钠12g/l，短切碳纤维0.8g/l，碳化硅晶须0.6g/l，聚乙烯4.0g/l。铝合金传送至微波高温炉中加热至950℃，保温10min，移至预热至750℃的锻压机，在压力为60mnn下锻造6min，切边、冲孔、打磨、抛丸，得燃气阀体。
实施例3
本实施例的铝合金由以下重量百分比组分组成：
c：0.09％，n：0.32％，b：0.5％，cr：15％，nb：3.3％，ti：1.7％，hf：0.58％，os：0.17％，cu：0.5％，mo：0.7％，余量为al。
将称量好的中间体合金在惰性气体下加热至720℃进行熔化，加入熔化液总量0.7％变质剂(以变质剂质量计，变质剂为ti：10％、zr：17％和yb：25％，余量为al)处理7min，去除渣，降至680℃后进行浇铸，获得铸坯，铸坯进行微弧氧化，微弧氧化的氧化温度为25℃，使用的电流密度为8a/dm2，氧化时间为22min，微弧氧化的电解液为磷酸钠15g/l，硅酸钠8g/l，氢氧化钠1.0g/l，钼酸钠12g/l，短切碳纤维0.8g/l，碳化硅晶须0.6g/l，聚乙烯4.0g/l。铝合金传送至微波高温炉中加热至950℃，保温10min，移至预热至750℃的锻压机，在压力为60mnn下锻造6min，切边、冲孔、打磨、抛丸，得燃气阀体。
实施例4
本实施例的铝合金由以下重量百分比组分组成：
c：0.11％，n：0.22％，b：0.45％，cr：13％，nb：2.9％，ti：1.6％，hf：0.60％，os：0.24％，cu：0.8％，mo：0.5％，余量为al。
将称量好的中间体合金在惰性气体下加热至740℃进行熔化，加入熔化液总量0.5％变质剂(以变质剂质量计，变质剂为ti：11％、zr：18％和yb：26％，余量为al)处理6min，去除渣，降至650℃后进行浇铸，获得铸坯，铸坯进行微弧氧化，微弧氧化的氧化温度为30℃，使用的电流密度为10a/dm2，氧化时间为20min，微弧氧化的电解液为磷酸钠15g/l，硅酸钠8g/l，氢氧化钠1.0g/l，钼酸钠12g/l，短切碳纤维0.9g/l，碳化硅晶须0.7g/l，聚乙烯5.0g/l。微弧氧化后的铝合金传送至微波高温炉中加热至1000℃，保温15min，移至预热至800℃的锻压机，在压力为62mnn下锻造7min，切边、冲孔、打磨、抛丸，得燃气阀体。
实施例5
本实施例的铝合金由以下重量百分比组分组成：
c：0.04％，n：0.46％，b：0.62％，cr：18％，nb：2.9％，ti：1.5％，hf：0.61％，os：0.25％，cu：0.2％，mo：1.0％，余量为al。
将称量好的中间体合金在惰性气体下加热至700℃进行熔化，加入熔化液总量0.8％变质剂(以变质剂质量计，变质剂为ti：12％、zr：16％和yb：28％，余量为al)处理8min，去除渣，降至650℃后进行浇铸，获得铸坯，铸坯进行微弧氧化，微弧氧化的氧化温度为35℃，使用的电流密度为13a/dm2，氧化时间为30min，微弧氧化的电解液为磷酸钠20g/l，硅酸钠10g/l，氢氧化钠1.5g/l，钼酸钠15g/l，短切碳纤维0.7g/l，碳化硅晶须0.5g/l，聚乙烯3.0g/l。微弧氧化后的铝合金传送至微波高温炉中加热至850℃，保温20min，移至预热至700℃的锻压机，在压力为65mnn下锻造8min，切边、冲孔、打磨、抛丸，得燃气阀体。
对比例1
对比例1与实施例3的区别在于，对比例1铝合金组分中不包含os元素，其余与实施例3相似，不在此赘述。
对比例2
对比例1与实施例3的区别在于，对比例1铝合金组分中不包含hf元素，其余与实施例3相似，不在此赘述。
对比例3
对比例3与实施例3的区别在于，对比例3铝合金组分中不包含os和hf元素，其余与实施例3相似，不在此赘述。
对比例4
对比例4与实施例3的区别在于，对比例4燃气阀体的制备过程不包含微弧氧化步骤，其余与实施例3相似，不在此赘述。
对比例5
对比例5与实施例3的区别在于，对比例5微弧氧化的电解液不包含聚乙烯，其余与实施例3相似，不在此赘述。
对比例6
对比例6与实施例3的区别在于，对比例6的热锻压使用普通高温炉加热，其余与实施例3相似，不在此赘述。
对实施例1～5和对比例1～6获得的燃气阀体样品进行力学性能测定，其中，耐腐蚀采用中性盐雾试验：50g/l的nacl溶液，ph为6.5～7.2，试验温度为(35±2)℃，相对湿度90％，试验时间为120h；其性能参数如表1所示。
表1实施例1～5和对比例1～6燃气阀体样品的性能参数
实施例3、4、5所使用的化学组分(nb+ti)/(c+n)、(os+hf)/b以及制备方法都属于本发明权利要求范围内的技术方案，故其相对于其它实施例和对比例而言，具有最佳的力学性能。对比例3因不含os和hf元素，破坏了本发明组分的整体性，其力学性能最差；单独含有os或hf元素的对比例1和对比例2对合金性能的提高没有显著帮助，其性能参数值与对比例相差3不大；对比例4在制备过程中没有微弧氧化，缺乏氧化膜的铝合金性能最差；使用普通高温炉代替微波高温炉的对比例6，缺少微波的独特作用，性能较差。
另外，本发明要求保护的技术范围中点值未穷尽之处以及在实施例技术方案中对单个或者多个技术特征的同等替换所形成的新的技术方案，同样都在本发明要求保护的范围内；同时本发明方案所有列举或者未列举的实施例中，在同一实施例中的各个参数仅仅表示其技术方案的一个实例(即一种可行性方案)。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。