一种具有高耐磨密封表面的球阀球体的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种阀门零件，具体涉及一种硬密封球阀的球体表面结构。
【背景技术】
[0002]球阀是应用非常广泛的一类阀门，具有启闭速度快、阀门开启后流阻和压损小、密封面在开启状态不会受到流动介质的冲刷、密封面关闭时有自净能力等优点。在一些特殊工况，如高温工况以及介质中富含硬质颗粒时，采用以球体表面镀硬铬或化学镀镍和以工程塑料加工的阀座所组成的常规球阀产品往往完全不能满足工况使用要求，在这类运行条件较为苛刻的工况系统中，一般会选用金属硬密封球阀。随着硬密封球阀设计、制造水平的不断提高，金属硬密封球阀已成为近年来技术发展最快的阀种之一，产品的配套需求量越来越多、应用也越来越广泛，如在大容量火力发电机组中，金属硬密封球阀在主蒸汽、再热蒸汽疏水，对空排汽，给水、减温水隔断，炉水排污，蒸汽超压安全泄放等方面都有较为广泛的应用；除了在高温工况方面的应用外，硬密封球阀产品在高磨损工况，如在排渣和除尘、高炉排灰、煤粉输送等方面，在煤化工、多晶硅、有机硅等行业也有较多应用。在一些高磨损、强冲刷和强腐蚀的极端工况，往往还会选择和使用以具有高硬度、高耐磨性、高耐蚀性的结构陶瓷来制作球体、阀座和进出口通道的陶瓷球阀。阀门密封面的高硬度要求，既是出于保证阀门密封副本身抗磨损、抗擦伤性能的需要，也是保证密封面具备充分的抵抗介质中具有较高硬度的固相物质对密封面的磨损、冲刷破坏能力的需要，因此，用于介质中富含硬质微粒工况的硬密封阀门，为了保证产品的使用性能和使用寿命，其密封面的硬度应显著高于介质中硬质微粒的硬度。
[0003]早期的硬密封球阀球体以堆焊或喷涂Stillite硬质合金来制作球体密封表面，由于合金层硬度偏低抗擦伤能力不能满足要求、堆焊或喷涂的工艺难度大、施焊后和使用过程中易产生裂纹，已不再被应用。现行的金属硬密封球阀产品的球体表面均采用超音速火焰喷涂工艺(HVOF)在球体表面形成碳化钨金属陶瓷涂层(部分产品根据使用温度的要求选择喷涂碳化铬涂层)；碳化钨涂层磨削、研磨后厚度为0.2?0.3mm ;涂层硬度(HV1200，国内产品的碳化钨涂层的实际硬度在HV750?850 (HRC62?66)左右。
[0004]密封面喷涂碳化钨涂层的硬密封球阀在实际使用中，较多地存在如下的问题:
[0005]碳化钨涂层剥落。涂层剥落有以下几个方面的原因:1、由于超音速喷涂的碳化钨涂层与基体材料之间为机械结合而非冶金结合，因而涂层与基体的结合力会受到制约，在局部有较大工作应力时易产生剥落现象；2、由于基体材料的硬度一般较低(当基体材料采用高硬度材料并经淬硬形成高硬度表面时，也会使喷涂层与基体的结合力下降)，附着在较软基体上的硬质涂层在与阀座密封面接触的受压面边界处，会产生较高的剪切应力和弯曲应力，从而使脆性的碳化钨涂层在相应部位产生裂纹进而导致涂层剥落；3、喷涂所产生的热应力及由于基体和涂层的线胀系数的差异而使涂层在高温工况产生的热应力以及因阀门频繁或周期性启闭使涂层产生的接触疲劳应力，会使涂层在工作时的承载能力显著下降而导致涂层剥落；4、喷涂前的处理以及喷涂操作存在问题导致局部或整体的涂层结合力下降。超音速火焰喷涂工艺对喷涂材料的选择和要求、对工件的表面清洁和预处理要求较高，喷涂操作中需要控制的操作参数较多、工艺难度大，因而很容易导致涂层的质量不稳定。
[0006]密封面受高速流动的介质中的硬质颗粒冲刷和磨损而使密封表面状况恶化，使阀门失去密封能力，严重时局部冲刷破坏严重也会导致碳化钨涂层脱落。
[0007]涂层硬度偏低。在密封副存在相对滑动的金属密封阀门中，硬密封球阀是密封面摩擦状况相对最严苛的阀门，阀门启闭全程密封面均会承受较高的接触比压(楔式闸阀的密封面则只在关闭末段才承受较高的接触比压)；同时，硬密封球阀也不能依靠外加操作力来增加密封比压。因此，硬密封球阀对阀门密封面需有更高的要求，其中最为重要的要求之一是对密封面的抗擦伤要求。国内产品的碳化钨涂层实际硬度HV750?850，在苛刻工况使用时往往难以完全满足抗擦伤要求和阀门的使用寿命要求。
[0008]近年来，由于陶瓷材料所具有的高硬度和高耐磨特性，陶瓷球阀作为一种以陶瓷材料制作密封件的特殊的硬密封球阀已在一些高磨损高冲刷工况得到了一定的应用。陶瓷球阀的球体、阀座等零件采用氧化锆相变增韧陶瓷制作；氧化锆增韧陶瓷的硬度在HV1200 (HRA87)左右，具有高于碳化钨喷涂层的抗磨损、抗冲刷性能。陶瓷阀门所存在的缺点是:1、陶瓷材料的抗拉韧性差、脆性较大，因而使用可靠性不及金属密封阀门；2、陶瓷零件无法进行切削加工，只能通过模具烧结成型并通过磨削和研磨而达到使用要求，工艺难度大，生产成本高、效率低，生产周期长；3、陶瓷零件上需要镶嵌金属辅助构件、或增加机械固定结构对陶瓷零件进行安装，使阀门结构趋于复杂，增加了产品的制造成本同时也降低了阀门的可靠性；4、陶瓷零件不能承受较大的热冲击，因而陶瓷球阀难以在高温工况应用。
[0009]金属材料的表面扩散渗硼改性强化是一种有着超过100年发展历史的传统工艺，多年来随着渗硼工艺的不断发展和改进，产生了多种渗硼方法，包括固体渗硼、膏剂渗硼、盐浴渗硼、电解渗硼、离子渗硼、微波渗硼等渗硼工艺。采用不同的金属材料进行渗硼，可以使金属表面获得HV1400?2200的超高硬度，远高于超音速火焰喷涂碳化钨涂层的硬度，也显著高于氧化锆陶瓷的硬度，具有极佳的抗擦伤、抗磨损能力；选择一定的渗硼工艺和基体材料时渗层厚度最大可以达到0.40_，达到与超音速喷涂碳化钨涂层相当的强化层厚度；渗硼层是在基体材料的基础上形成，与基体材料之间为冶金结合而非如超音速喷涂层的机械结合；零件经扩散渗工序后，可以在保护气氛中进行淬火热处理以提高基体的硬度和强度；渗硼层高温热硬性好，在800°C以下均能保持很高的硬度；具有较好的高温抗氧化性和优异的抗蚀性，工件表面渗硼后能够达到与奥氏体不锈钢相当的抗蚀性。近年来在渗硼工艺方面又产生了一些新的工艺方法如稀土共渗、多元共渗等来改善渗硼的工艺特性和提升渗层性能，如降低渗层脆性、进一步提高渗层的耐磨性、增加渗速和渗层厚度等。渗硼工艺在大大提升金属表面性能的同时，生产成本也较低，设备的配置和操作要求也不高。
[0010]由于渗硼处理要达到足够的渗层厚度需要在加热温度800?1000°C的高温下进行，会引起零件的变形，目前在国内外机械制造行业，金属表面扩散渗硼还主要是应用在工模具的表面强化方面，而在精密机械零件制造方面的应用则鲜有报道。渗硼处理后零件的变形成为这一工艺进一步在其它机械零件的制造尤其是在精密零件的制造方面应用的最主要的制约因素；金属硬密封球阀的球体因为其制造精度尤其是圆度精度的要求很高，要在其表面实施渗硼或多元渗硼强化，需要在制造工艺方面解决扩散渗后的变形问题，达到球体的高精度要求，才能使这一“点铁成金”的技术在硬密封球阀球体的表面强化方面获得具有很高实用价值的应用和取得对其它现有技术如超音速喷涂碳化钨密封面和整体陶瓷密封面的显著的技术优势。
【发明内容】
[0011]为了克服硬密封球阀现有技术所在的诸多不足之处，本实用新型提出了一种具有更高的表面硬度、具有更强的抗擦伤抗磨损以及抗冲刷能力，结合强度高、不容易产生强化层剥落，基体具有高硬度以保证表面强化层能可靠工作，强化层制备后不会形成残余应力，能够在高温工况中使用，能够使产品结构得到简化、制造成本降低，便于加工制造，能够使阀门具有较高的使用可靠性和更长的使用寿命的硬密封球阀的具有高耐磨密封表面的球阀球体。
[0012]针对要解决的技术问题，本实用新型所提出的技术方案其基本思路和实质内容是:选择了一种能够在抗擦伤耐磨损抗冲刷性能方面更优于现有产品密封表面的硬面技术方案且能克服其诸多缺陷的表面强化工艺-扩散渗硼(包括硼钒共渗或其它包含渗硼的多元共渗技术)；而对于扩散渗后的变形问题，采取在渗前不加工球体上的通流孔和传动槽、工件以各向同性的完整、实芯的球体状态进行高温扩散渗，则渗后基本不会产生变形；而渗后的保护气氛的淬火回火处理或固溶时效处理，淬火和时效提高了基体硬度、能够解决现有技术采用喷涂工艺存在的因基体硬度低所带来的问题，回火一方面是淬火热处理必经的一道工序、用以调节淬后硬度，另一方面可以消除工件的内应力、避免因加工通流孔和传动槽后内应力分布状态改变和应力释放而产生变形，时