一种用于换向阀的主阀芯的制作方法

本发明涉及一种用于换向阀的主阀芯。

背景技术：

换向阀又称克里斯阀，阀门的一种，具有多向可调的通道，可适时改变流体流向，可分为手动换向阀、电磁换向阀、电液换向阀等。其主要由阀体、密封组件、凸轮、阀杆、手柄和阀盖等零部件组成。阀门由手柄驱动，通过手柄带动阀杆与凸轮旋转，凸轮具有定位驱动与锁定密封组件的开启与关闭功能。手柄逆时针旋转，两组密封组件分别在凸轮的作用下关闭下端的两个通道，上端的两个通道分别与管道装置的进口相通。反之，上端的两个通道关闭，下端两个通道与管道装置的进口相通，实现了不停车换向。工作时借着阀外的驱动传动机构转动驱动轴，带动摇拐臂，启动阀板，使工作流体时而从左入口通向阀的下部出口，时而从右入口变换通向下部出口，实现了周期变换流向的目的。这种变换阀在石油、化工生产中有着广泛的应用，在合成氨造气系统中最为常用。此外，换向阀还可作成阀瓣式的结构，多用于较小流量的场合。工作时只需转动手轮通过阀瓣来变换工作流体的流向。现有的换向阀通常包括两种：液压式换向阀和手动式换向阀。液压式换向阀通常包括阀套和位于阀套内且与阀套同轴设置的阀杆，阀套的一端设置有工作油口，阀套的另一端设置有控油口，阀套侧壁设置有压力油口和回液油口，其中回液油口靠近控油口，压力油口靠近工作油口，阀杆内沿轴向设置有与工作油口连通的进油通道，阀杆上设置有与进油通道连通的开口；在初始状态时，阀杆上的开口将进油通道和回液油口连通，工作油口和回液油口处于连通状态，此时，压力油口和控油口内输入液压油，控油口内的液压油将阀杆向工作油口方向推动，阀杆上的开口与回液油口断开，工作油口和回液油口处于隔离状态，当阀杆上的开口移动至压力油口处时，阀杆上的开口将压力油口和工作油口连通。手动式换向阀与液压式换向阀的结构基本相同，区别仅在于手动式换向阀设置手柄组件取代控油口来驱动阀杆，手柄组件推动阀杆压力油口和工作油口的连通。

换向阀在作为原油、燃油及其它具有较强侵蚀性液体的换向工具时，其工作环境复杂，极易受到环境以及油品中的各种腐蚀性元素的侵蚀，并且在生产应用中极易受到外力的冲击而发生形变等，这种情况在换向阀应用于液体加压输送是尤为危险，此时液体的侵蚀能力显著增强，器件稍有损伤就会无限地放大危害。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种具有极好的强韧性、抗回火稳定性、抗冷-热疲劳性能、高温抗磨损能力的用于换向阀的主阀芯。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种用于换向阀的主阀芯，包括上阀套、下阀套、阀芯，其特征在于，所述下阀套插入上阀套内并与上阀套相连，在上阀套内设置有活塞，所述阀芯位于下阀套内并伸入活塞内，所述上阀套具有一开口且在开口处盖设有端盖，主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯均由合金钢材料制成，所述合金钢的组成元素及其质量百分比为：C：0.10-0.15％、Cr：1.5-2.0％、Si：0.22-0.35％、Mn：0.8-1.2％、Al：0.045-0.06％、N：0.03-0.05％、Mo：0.25-0.35％、Cu：0.025-0.04％、S：0.005-0.022％、V：0.08-0.15％、RE：0.08-0.15％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质。

本发明主阀芯的上阀套、下阀套、阀芯均由合金钢制成，该合金钢通过各元素之间产生的协同作用提高主阀芯的综合性能。在合金钢中加入低含量铬的同时，加入Cu、Mn、Mo、Al、Si、V、RE等合金元素，放弃加入镍、钨等贵重金属元素，能够强化基体，获得MoC、VC等特殊碳化物和合金碳化物，从而提高主阀芯合金钢的组织稳定性。Cu、Al的加入可以提高主阀芯合金钢的散热性能。Cr、Si、Al能够提高合金钢的抗生长与抗氧化能力。散热性能、抗生长和抗氧化能力的提高又能进一步提高合金钢的高温性能，使其在高温环境下使用的寿命有所提高。Mn、Si等元素的加入能够提高钢液的流动性。稀土的影响与合金元素进行配合，进一步提高主阀芯合金钢的强韧性，使其表面硬度高，内部具有韧性。在本发明主阀芯的合金钢中若碳含量过低，在加工中会严重影响强度和硬度，若碳含量过高，塑性低，还会影响后续的成型及电镀过程中的性能，造成开裂等问题。为了避免在渗层中发生内氧化形成“黑色网状组织”缺陷，本发明主阀芯合金钢中Si含量要求控制在0.22-0.35％。当加入0.22-0.35％Si可以提高主阀芯的强度，若Si含量低于0.22％，则会影响主阀芯的屈服强度。尽管Mn是固溶强化元素，但在本发明主阀芯合金钢中，若锰含量大于1.2％，则会大幅度降低主阀芯的塑性和韧性。主阀芯合金钢的耐热性随着Mo含量的增加而增强，此外Cr、Si、Al都可生成致密的氧化物，形成保护膜。铝是最基本、最有效的细化晶粒元素，在钢中主要以AlN形式存在。AlN主要分布于晶界，起到钉扎晶界阻止晶粒长大的作用。当合金钢中铝含量较高，但氮含量较低时，则不能形成足够的AlN使其均匀的分布于奥氏体晶界。AlN数量较少必然导致其分布较多的位置钉扎晶界作用明显，较少的位置则不能钉扎晶界阻止奥氏体晶粒的长大，这也是产生混晶，即晶粒局部异常长大的主要原因。本发明主阀芯合金钢中加入0.08-0.15％V细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒不仅是强化合物形成元素，还是钢材优良的脱氧剂，能与碳的结合，形成高熔点、高硬度、高弥散度且稳定的VC碳化物，且0.08-0.15％V与0.8-1.2％Mn起协同作用，共同提高钢的强度和硬度，其原因在于V与Mn配合使用不仅可以细化晶粒，还可以得到更高体积分数的弥散分布析出颗粒，同时起到细晶强化和弥散强化的作用，还可以提高主阀芯的强度、韧性以及抗腐蚀能力。且本发明主阀芯合金钢中由于0.08-0.15％稀土的存在，与0.08-0.15％V一起增强了主阀芯合金钢组织细化的程度，从而使其扩散系数降低，减轻其氧化程度。同时碳化物在回火的过程中析出速度和长大速度都较为缓慢，提高了钢的强度和抗回火稳定性。

未加入稀土时，合金钢组织非常不均匀，相对碳化合物尺寸较大，网状二次碳化合物较为明显。加入少量的稀土时，合金钢二次碳化合物断网明显。稀土含量越高，组织越来越均匀，越来越细。稀土含量的增加使得碳化合物支晶和莱氏体网格越来越细，进而提高合金钢的冲击韧性。热处理后，未加稀土与加入稀土的合金钢组织都包括回火马氏体、少量回火托氏体、含铬和锰等的合金碳化物与分布均匀的VC、MoC特殊碳化物。然而一定范围内含稀土越多，碳化物尺寸越小，这种特征在提高放大倍数后非常明显。此外稀土元素还可融入碳化合物中，或者与氧、磷、硫、硅、铝发生反应生成氧化物等，降低有害杂质对脆性的影响。经不断试验发现，在本发明主阀芯合金钢中添加0.08-0.15％稀土对碳化合物尺寸的减小，与合金元素的配合，在晶界处的分布以及减小有害物质的影响等综合效果较为明显。

一般的合金钢中，硫、磷等杂质元素的非金属夹杂会破坏钢的基体连续性，在静载荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点，影响合金钢的性能，但是本发明为了提高主阀芯切削性，需要添加一定的硫含量。

作为优选，RE中按占RE总质量比计：Ce48-55％，La30-32％，Pr3-5％，余量为Nd及不可避免的杂质。稀土元素与氧、硫有很大的亲和力，加入钢液中的稀土将依次与氧和硫作用，作用产物随熔渣排出，剩余部分作为夹杂残留钢中。向上述合金钢添加0.08-0.15％稀土后，在熔融钢液中的氧化铝、二氧化硅、硫化锰等夹杂物与稀土进行化学反应，生成密度小、熔点高的稀土化合物，随着加工过程中的高温熔炼，稀土夹杂物以高熔点氧化物和硫化物为核心分别独立形核长大。经不断试验发现，加入适量的稀土后，主阀芯合金钢的夹杂物数量明显减少，纯净度提高，晶粒明显细化。

作为优选，用合金钢制成主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯的工艺为：

前处理：按所述合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得坯件；

热处理：将坯件先加热到230-280℃，然后加热至620-650℃，再加热至900-1000℃，喷雾淬火处理0.5-1小时，当冷却至220-280℃时继续加热至580-620℃回火处理1-2小时，得半成品；

超低温改性处理：将半成品在-170～-190℃下超低温改性处理1-1.5h，然后在220-240℃下低温回火处理120-145min，制得主阀芯中的上阀套、下阀套、阀芯。

本发明先多阶段加热的喷雾淬火和高温回火双重处理，喷雾淬火冷却速度较缓慢，使心部和表面都获得较均匀的组织和较高的力学性能，保证换向阀使用时能够承受较大的力。然后进行超低温改性处理，有效提高主阀芯的力学性能，合金钢的显微组织结构发生了较大变化，从回火马氏体中脱溶出大量、弥散的第二相微细碳化物颗粒，并均匀分布在马氏体的孪晶带上，强化了合金钢的基体组织，促使合金钢的各项力学性能得到了明显提高。在同样的热-冷循环疲劳条件下，本发明主阀芯的疲劳裂纹扩展速率较低，即提高了合金钢的抗疲劳性能。此外，超低温下的相变还会使基体组织中空位浓度降低，导致扩散系数减小；回火马氏体脱溶出碳化物后，含碳浓度明显下降，从而提高主阀芯抗回火稳定性能。因此，本发明主阀芯中的上阀套、下阀套、阀芯通过采用配伍合理的合金钢并采用上述的加工方法制成，具有极好的强韧性、抗回火稳定性、抗冷一热疲劳性能、高温抗磨损能力。

作为优选，下阀套和上阀套的外壁上均设有由复合材料制成的密封圈。密封圈为阀套主体提供防护的同时，使其不易在使用中被破坏，同时又可以提高耐磨性，防止磨损。其与下阀套和上阀套具有良好的相容性和贴合性，同时又具有质轻，刚性好、耐磨性强的特性，使其对凸起结构提供充分的防护。

所述复合材料包括如下重量份数的组分：丁腈橡胶：100份、白炭黑：5-20份、矽丽粉：10-30份、改性纳米二氧化钛：1-5份、表面改性剂：3-8份、氧化锌：2-8份、抗老化剂：10-30份、硫化剂：3-8份。

本发明主阀芯中的密封圈通过配伍合理的组分，以丁腈橡胶为基材，复配添加白炭黑和矽丽粉，并添加改性纳米二氧化钛，以及表面改性剂等其他成分，通过各成分之间产生的协同作用，提高复合材料的强度、硬度，提高密封圈的耐压性和耐磨性。并且结合其较薄的厚度，使其在受到较大冲击时，优先发生刚性破碎，而后再将受力传递到下阀套和上阀套主体，实现刚性-柔性双重防护，从而提升主体的防冲击和抗腐蚀性能。

其中，矽丽粉是一种多空隙的天然微颗粒，由天然准球形粒状石英和片装高岭土组成的无机矿物，两种不同形状的矿物天然结合形成了一种松散的粒片叠层镶嵌结构，这种天然松散的粒片混合结构不会被一般的物理和机械方式分散，因此矽丽粉具有超高的流动性和分散性。本发明中复配添加了矽丽粉与白炭黑，有效改善高性能密封圈的力学性能。与加入单一炭黑的胶料相比，拉伸强度、回弹值都提高60％以上，压缩温升和动态压缩永久变形分别降低35％以上。其原因在于：一、矽丽粉中的片装结构对于交联键形成隔离，胶料形成的交联点减少，高性能密封圈变得软而富有弹性，橡胶分子链在交变力作用下收到的摩擦力减少，分子链直接相对运动消耗的能力减少，产生的热量随之较少，因此压缩温升和动态压缩永久变形降低，对橡胶拉伸强度、动态力学性能的补强作用也都优于单一的炭黑。二、矽丽粉中的微粒均匀分散在橡胶的交联网中，其松散的粒片叠层状镶嵌结构可以有效阻隔氧分子对硫化胶的侵入，避免了交联键的断裂，进而提高了高性能密封圈的耐热抗氧老化性能。三、矽丽粉具有片状结构，可降低橡胶体分子链之间的阻挠，使橡胶分子链相对滑动容易，进而提高高性能密封圈胶料表面挤出光滑，继而提高高性能密封圈的加工性能。本发明主阀芯密封圈同时含有10-30份矽丽粉、5-20份白炭黑、1-5份改性纳米二氧化钛，通过各成分之间的协同作用，提高拉伸强度、硬度、断裂伸长率等力学性能，降低压缩温升和动态压缩永久变形，延长胶料硫化时间，提高胶料的硫化程度，提高胶料的加工性能，进而提高密封圈的耐压性、耐磨性。

进一步优选，白炭黑与矽丽粉的质量比为(0.5-1)：1。通过不断试验发现，在丁腈橡胶中加入质量比为(0.5-1)：1的白炭黑与矽丽粉，不仅可以显著提高密封圈的拉伸强度、回弹性等力学性能，降低压缩温升和动态压缩永久变形，改善其加工性能，还可以明显缩短胶料的正硫化时间与焦烧时间之差，进而提高密封圈胶料的硫化效率，节约资源。

进一步优选，表面改性剂包括增塑剂、偶联剂。

本发明中所述的增塑剂、偶联剂、抗老化剂、硫化剂均为常规试剂。

与现有技术相比，本发明主阀芯主体部分(即上阀套、下阀套、阀芯)通过配伍合理的合金钢制成，并通过先多阶段加热的喷雾淬火和高温回火双重处理，然后进行超低温改性处理制成，有效提高主阀芯的力学性能，使其具有极好的强韧性、抗回火稳定性、抗冷-热疲劳性能、高温抗磨损能力。

附图说明

图1为本发明用于换向阀的主阀芯的结构示意图。

图2为本发明用于换向阀的主阀芯的剖视图。

图中：1、上阀套；2、下阀套；3、阀芯；4、活塞；5、端盖；6、密封圈。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图说明，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本实施例中，如图1、2所示，一种换向阀中的主阀芯，包括上阀套1、下阀套2、阀芯3，下阀套2插入上阀套1内并与上阀套1相连，在上阀套内设置有活塞4，阀芯3位于下阀套2内并伸入活塞4内，上阀套1具有一开口且在开口处盖设有端盖5；下阀套2和上阀套1的外壁上均设有由复合材料制成的密封圈6。

密封圈复合材料包括如下重量份数的组分：丁腈橡胶：100份、白炭黑：15份、矽丽粉：18份、改性纳米二氧化钛：4份、表面改性剂：5份、氧化锌：5份、抗老化剂：25份、硫化剂：5份。

主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯均由合金钢材料制成，所述合金钢的组成元素及其质量百分比为：C：0.12％、Cr：1.8％、Si：0.28％、Mn：1.0％、Al：0.052％、N：0.04％、Mo：0.3％、Cu：0.032％、S：0.012％、V：0.12％、RE：0.12％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中RE中按占RE总质量计：Ce50％，La31％，Pr4％，余量为Nd。

主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯通过如下工艺加工而成：

前处理：按上述合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得坯件；

热处理：将坯件先加热到250℃，然后加热至640℃，再加热至950℃，喷雾淬火处理0.8小时，当冷却至250℃时继续加热至600℃回火处理1.5小时，得半成品；

超低温改性处理：将半成品在-180℃下超低温改性处理1.2h，然后在230℃下低温回火处理130min，制得上阀套、下阀套、阀芯。

实施例2

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本实施例中密封圈复合材料包括如下重量份数的组分：丁腈橡胶：100份、白炭黑：13份、矽丽粉：25份、改性纳米二氧化钛：2份、表面改性剂：4份、氧化锌：6份、抗老化剂：20份、硫化剂：4份。

上阀套、下阀套、阀芯所用合金钢材质为：C：0.14％、Cr：1.6％、Si：0.32％、Mn：0.9％、Al：0.048％、N：0.048％、Mo：0.27％、Cu：0.038％、S：0.008％、V：0.14％、RE：0.09％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中RE中按占RE总质量计：Ce49％，La31.5％，Pr3.5％，余量为Nd。在主阀芯主体的表层以添加剂进行掺杂，添加剂二氧化硅在主体中含量为0.4wt％。

主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯通过如下工艺加工而成：

前处理：按上述合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得坯件；

热处理：将坯件先加热到260℃，然后加热至625℃，再加热至920℃，喷雾淬火处理0.8小时，当冷却至230℃时继续加热至610℃回火处理1.2小时，得半成品；

超低温改性处理：将半成品在-175℃下超低温改性处理1.4h，然后在235℃下低温回火处理125min，制得上阀套、下阀套、阀芯。

实施例3

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本实施例中密封圈复合材料包括如下重量份数的组分：丁腈橡胶：100份、白炭黑：15份、矽丽粉：20份、改性纳米二氧化钛：3份、表面改性剂：6份、氧化锌：4份、抗老化剂：15份、硫化剂：6份。

主阀芯的主体部分的合金钢材质为：C：0.13％、Cr：1.8％、Si：0.25％、Mn：1.1％、Al：0.058％、N：0.032％、Mo：0.34％、Cu：0.026％、S：0.020％、V：0.09％、RE：0.14％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中RE中按占RE总质量计：Ce452％，La30.5％，Pr4.5％，余量为Nd。

主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯通过如下工艺加工而成：

前处理：按上述合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得坯件；

热处理：将坯件先加热到240℃，然后加热至640℃，再加热至980℃，喷雾淬火处理0.6小时，当冷却至270℃时继续加热至590℃回火处理1.8小时，得半成品；

超低温改性处理：将半成品在-185℃下超低温改性处理1.4h，然后在225℃下低温回火处理140min，制得上阀套、下阀套、阀芯。

实施例4

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本实施例中密封圈复合材料包括如下重量份数的组分：丁腈橡胶：100份、白炭黑：20份、矽丽粉：30份、改性纳米二氧化钛：1份、表面改性剂：3份、氧化锌：8份、抗老化剂：10份、硫化剂：3份。

主阀芯的主体部分的合金钢材质为：C：0.10％、Cr：2.0％、Si：0.22％、Mn：1.2％、Al：0.045％、N：0.05％、Mo：0.25％、Cu：0.04％、S：0.005％、V：0.15％、RE：0.08％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中RE中按占RE总质量计：Ce55％，La30％，Pr5％，余量为Nd。

主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯通过如下工艺加工而成：

前处理：按上述合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得坯件；

热处理：将坯件先加热到280℃，然后加热至650℃，再加热至1000℃，喷雾淬火处理0.5小时，当冷却至280℃时继续加热至620℃回火处理1小时，得半成品；

超低温改性处理：将半成品在-190℃下超低温改性处理1h，然后在240℃下低温回火处理120min，制得上阀套、下阀套、阀芯。

实施例5

本实施例与实施例1的区别仅在于：

本实施例中密封圈复合材料包括如下重量份数的组分：丁腈橡胶：100份、白炭黑：5份、矽丽粉：10份、改性纳米二氧化钛：5份、表面改性剂：8份、氧化锌：2份、抗老化剂：30份、硫化剂：8份。

主阀芯的主体部分的合金钢材质为：C：0.15％、Cr：1.5％、Si：0.35％、Mn：0.8％、Al：0.06％、N：0.03％、Mo：0.35％、Cu：0.025％、S：0.022％、V：0.08％、RE：0.15％、P≤0.015％，余量为Fe及不可避免的杂质，其中RE中按占RE总质量计：Ce48％，La32％，Pr3％，余量为Nd。

主阀芯中上阀套、下阀套、阀芯通过如下工艺加工而成：

前处理：按上述合金钢的组成元素及质量百分比配料，将原料熔炼成钢水，钢水经真空冶炼、浇注、轧制成钢板，并将钢板加工成型，得坯件；

热处理：将坯件先加热到230℃，然后加热至620℃，再加热至900℃，喷雾淬火处理1小时，当冷却至220℃时继续加热至580℃回火处理2小时，得半成品；

超低温改性处理：将半成品在-170℃下超低温改性处理1.5h，然后在220℃下低温回火处理145min，制得上阀套、下阀套、阀芯。

对比例1

与实施例1的区别仅在于，该对比例主阀芯中的上阀套、下阀套、阀芯由普通合金钢通过普通方法加工而成。

对比例2

与实施例1的区别仅在于，该对比例主阀芯中的上阀套、下阀套、阀芯由普通合金钢通过如实施例1中的方法加工而成。

对比例3

与实施例1的区别仅在于，该对比例主阀芯中的上阀套、下阀套、阀芯采用如实施例1中的所述的合金钢通过现有普通方法加工而成。

对比例4

与实施例1的区别仅在于，该对比例主阀芯中的密封圈由普通塑料制成。

在上述实施例中未明确说明的工艺均为现有技术中普通常规的工艺，增塑剂、偶联剂、抗老化剂、硫化剂均为常规试剂。

将实施例1-5及对比例1-4换向阀的主阀芯进行性能测试，

测试结果如表1所示。

表1：实施例1-5及对比例1-4中加工得到的换向阀的性能测试

本发明主阀芯上阀套、下阀套、阀芯通过配伍合理的合金钢制成，并通过先多阶段加热的喷雾淬火和高温回火双重处理，然后进行超低温改性处理制成，有效提高主阀芯的力学性能，使其具有极好的强韧性、抗回火稳定性、抗冷-热疲劳性能、高温抗磨损能力。

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。